超晶格阻止动态导通电阻的退化

超晶格在抑制 GaN 基功率器件中的动态导通电阻退化方面优于分级缓冲器

来自中国的一个团队已经证明，在消除 GaN基功率器件的动态导通电阻方面，AlGaN 超晶格优于阶梯状异质结构。

据该团队发言人、北京大学的Xuelin Yang表示，解决动态导通电阻的退化问题至关重要，因为它会损害功率器件的性能和可靠性。 “从应用的角度来看，我们需要稳定的导通电阻。”

Yang和北京大学的同事，与北京大学和量子物质协同创新中心的研究人员合作，他们为关于最合适的架构以减少应变并最终消除 GaN基功率器件的动态导通电阻退化的辩论提供了新的思路。

辩论中表达的观点包括：泄漏路径只能缓解动态导通电阻的退化，而不是抑制它；应变消除层影响二维电子气中的耗尽；并且应变消除层会影响陷阱密度。然而，其他团队将应变消除层视为理想的电介质，并且更关心位于顶部的碳掺杂缓冲层的作用，该缓冲层用于提高击穿电压。 Yang 及其同事们的大量实验现在提供了新的见解—他们的研究表明，通过提供更有效的电子和空穴阻挡，超晶格在抑制动态导通电阻退化方面优于阶梯缓冲。

中国团队在比较了具有阶梯式和超晶格应变消除层的器件后得出了这一结论。这两种类型的器件都具有通过 MOCVD 在 p 型硅 (111) 衬底上生长的异质结构，并在其下侧具有背栅以及相隔 15 μm 的欧姆源极和漏极触点。具有阶梯层的器件的静态导通电阻为 8.48 Ωmm，而超晶格变体的静态导通电阻为 9.09 Ωmm。

为了揭示阶梯式和超晶格结构对动态导通电阻的影响，Yang 及其同事进行了背栅斜坡测量。这项研究揭示了缓冲捕获对通道中二维电子气密度的影响，包括向漏极触点施加 0.5 V 的固定电压并扫描施加到背栅的电压。如果整个外延叠层是一个没有陷阱的理想电介质，那么它将表现为一个理想电容器；但是如果缓冲器中有陷阱，电荷会在这个背栅扫描过程中积累，导致磁滞。

实验表明，具有超晶格的器件比具有阶梯结构的变体更接近理想电容器。

Yang和同事解释了这些发现。据他们介绍，当向背栅施加负电压时，碳掺杂的 GaN 缓冲层中的受体开始耗尽，空穴流向衬底。当这种情况发生在团队的阶梯结构中时，这些孔只面对三个能量势垒，而他们的100周期超晶格器件具有 100 个能量势垒。因此，阶梯结构中的孔很容易泄漏，导致测量滞后；而超晶格中的空穴被阻塞，限制在这个区域，并形成电中性结构，具有最小的磁滞。

对于在 AlN 和硅界面处的反型层中的电子来说，也是类似的情况。在阶梯结构中，电子只面对一个能垒，而在超晶格中，它们面对 100 个更高的能垒。因此，超晶格结构的行为类似于电容器，而具有阶梯区的超晶格结构则充当电阻器。

Yang 和同事现在正计划进一步研究超晶格在 GaN 基功率器件中的作用。

参考资料

X. He et al. Appl. Phys. Express 15 011001 (2022)

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