GaN：通往完美E模式 HEMT 的桥梁

—为常关型 GaN HEMT 配备 p-FET 桥可产生大而稳定的阈值电压。

 

作者：南方科技大学 化梦媛

 

GaN正开始通过提供更高的效率和小型化来彻底改变功率系统。其宽禁带和高饱和电子漂移速率使其在Baliga品质因数方面脱颖而出，进而使由该材料制成的功率器件能够阻挡高电压、实现高频开关、可在高温下工作并可以提供低的导通和开关损耗。

 

受所有这些属性的吸引，在许多受益于更高效率的功率应用中，部署 GaN HEMT 的兴趣正在飙升，包括电网、车辆电气化、卫星、无人驾驶汽车、光伏系统和数据中心的电源。

 

目前的GaN HEMT还不是成熟产品。阻碍它们实现潜在应用的最大障碍之一在常关状态下的正常工作。为确保自动防故障装置的安全运行，最终用户希望GaN HEMT工作在增强模式(简称E模式)下。芯片制造商已经做出了回应，推出了E模式GaN HEMT，这种器件往往通过采用p-GaN栅极来实现常关状态下的工作。这种设计受到相对较小的阈值电压的影响，它不到2伏(这是针对105的电流开关比)。一个不幸的后果是，当寄生电感引起的栅环有超过阈值电压的威胁时，在高速关断转换期间错误开启的可能性会增加。

 

已经提出了几种解决方案来提高阈值电压并降低错误开启的机会。选项包括增加栅金属功函数和使用源极连接的p-GaN。

 

然而，这些方法的有效性是有限的，并且它们会引入新问题，例如阈值电压的不稳定性和亚阈值摆幅较差。

 

克服与低阈值电压相关的挑战的最常见方法是使用双极栅极驱动电源。提供负的栅极电压避免了错误的导通，但付出的代价是门驱动电路设计的复杂性。这种替代方法还受到负栅极电压的阻碍，负栅极电压有可能通过将孔穴流吸引到栅极侧而加速器件退化。这些空穴是在高电场区由碰撞电离产生的。

 

除了所有这些问题，还有另一个与负栅极电压相关的问题：反向传导损耗的增加。当GaN HEMT处理电感负载时，在死区时间内，这些晶体管受到反向传导状态的影响，该状态提供了自由电流路径。这种情况是通过在漏极-栅极偏置超过阈值电压的情况下打开漏极侧沟道来实现的。

 

一个不希望出现的结果是负栅极电压增加了GaN HEMT的反向接通电压并加剧了反向导电的损耗。

 

正面解决这个问题需要开发具有大且稳定的阈值电压的 E 模式器件。这不是一个容易生产的器件，因为它需要提高阈值电压，同时避免任何反向传导损耗的增加。但是我们位于中国深圳的南方科技大学的团队在各个方面都取得了成功。

 

我们的突破源于为 E 模式 GaN HEMT 引入了一种新颖、优雅的架构（见图 1）。这种设计使我们能够在很宽的范围内自由调整阈值电压，而不会出现亚阈值摆动退化和阈值电压不稳定等缺点。除了这些非常吸引人的特性之外，我们的晶体管还具有固有的正向和反向导通电压去耦功能。

 

图1：（a）p-FET桥HEMT提供常闭操作；(b）p-FET桥HEMT的等效电路。为了简单起见，p-FET和HEMT绘制在相同的横截面上，而在实际器件中，p-FET下的2DEG沟道耗尽，与源的p-欧姆连接在p-FET区域之外。

 

我们成功背后的关键因素是连接源极和栅极的常开型GaN p-FET。我们将这种结构称为“p-FET桥”。在p-FET桥区之外，我们的器件具有与传统肖特基型p-GaN栅HEMT相同的设计—栅金属和p-GaN层在常关断的AlGaN/GaN HEMT的顶部形成肖特基结二极管。在我们的HEMT的p-FET桥区，增加了一个p沟道，将肖特基结二极管的阳极与源极连接了起来。

 

在我们的设计中，由于p沟道常开，肖特基结二极管的阳极在p沟道夹断之前保持接地。由于这种布置，只有在栅极电压足够大以掐断p通道后，才能开启2DEG通道。在这些因素的作用下，我们调整p-FET桥HEMT的阈值电压，使其超过p-FET的阈值电压。

 

我们架构的另一个优势是阈值电压稳定性的增强。当器件从较大的栅极或漏极电压切换回较小的电压时，从浮动p-GaN层发射的空穴从源极侧快速流过p-沟道。这种电荷流有助于确保稳定的阈值电压。

 

我们的技术相对容易实现，这要归功于商业平台上现成的p-GaN层。我们采用这种方法，epi结构不会出现不利因素。另一个对我们有利的因素是，尽管GaN基p-FET还没有非常成熟，但这并不是一个阻碍，因为我们只需要一个常开型p-FET。与E模式p-FET相比，使用该特定器件更容易获得高漏极电流。

 

凭借所有这些优点，目前的外延和制造技术已经成熟，可以证明p-FET桥HEMT的优势。请注意，这方面的成功可能会有更广泛的影响，因为这个概念不仅适用于横向结构，也适用于垂直结构。

 

概念的论证

 

为了生产我们的器件，我们从为E型p-GaN栅HEMT设计的6英寸Si晶片上外延的GaN开始，这些外延片包括4.2 μm厚的高阻GaN缓冲层，420 nmGaN沟道，15 nm厚的Al0.15Ga0.85N势垒，以及掺镁到41019 cm-3的100 nm p-GaN帽。从这种异质结构中，我们形成了栅长为3 μm，栅漏间距为15 μm的HEMTs。后者可确保阻挡电压大于600 V。

 

器件制造时首先将p-GaN移除到栅极区域之外，这是通过采用氯和三氯化硼气体组合的电感耦合等离子体蚀刻完成的。在这个蚀刻过程中，我们用电子束蒸发的铬层保护p-GaN。这是比介质薄膜更好的选择，例如可以通过PECVD或ALD沉积的SiNx，SiO 2或Al2O3层，因为铬可以防止p-GaN表面的等离子体损伤和p-GaN中的氢掺入。最终，这确保了良好的p型欧姆接触。

 

电子束蒸发、剥离和退火，形成源极和漏极。在将样品浸入缓冲氧化物蚀刻剂中5分钟之前，先通过光刻确定p-欧姆接触区域。随后，在剥离和退火之前，我们转向电子束蒸发来创建一个金属堆栈，即一个20 nm厚的镍层，然后是一个20 nm厚的金层。接下来是对p-FET栅区进行凹槽，使我们能够调整HEMT的开启电压。然后，我们通过ALD添加大约19 nm厚的Al2O3层，以产生p-FET栅电介质。

 

在器件制造之后，我们使用注入来提供平面隔离。我们的最后一步是移除p-FET栅区外的Al2O3层，并添加栅电极和探测垫，这些电极和接触层由20 nm厚的镍和100 nm厚的金组成（该器件的扫描透射电子显微镜横截面图见图2）。为了对我们的器件进行对照测试，我们还从同一外延晶片上制作了单个p-FET和传统的p-GaN栅HEMT进行对照。

 

图2.p-FET桥和肖特基型p-GaN栅堆叠中凹槽栅结构的横截面透射电子显微镜图像。

 

可自由调整的阈值电压…

 

通过调整p-FET的导通电压，我们可以在很大范围内自由调制p-FET桥HEMT的阈值电压(见图3)。

 

 

图3：(a)凹槽深度从65 nm到85 nm的栅凹型p-FET的传输特性。利用原子力显微镜对p-FET栅凹槽刻蚀后的凹槽深度进行了估算。(b)采用具有不同阈值电压(VTH，pFET)的p-FET的p-FET桥HEMT的传输特性。(c)p-FET桥HEMT的VTH和亚阈摆幅(SS)与VTH、pFET的关系

 

对我们的一系列器件进行的电气测量揭示了凹槽刻蚀深度对常开操作的影响(参见图3(a))。此深度从65 nm到85 nm可将阈值电压从2.4 V移至7.3 V，较浅的凹槽深度可提供更正的阈值电压。

 

我们的p-FET的正向饱和电流为5.4 mA/mm，但更高的值可以通过采用更精细的技术来实现。在我们的桥接器件中，p-FET始终工作在反向导电区，栅极偏置高于0 V。这样做的一个优点是，它避免了在导通状态下由负栅偏置引起的阈值电压的较大漂移。因此，p-FET在-FET桥器件中具有更稳定的阈值电压。

 

通过调整开启电压，我们可以线性地将阈值电压从3.6V改变为8.2V。令人鼓舞的是，在对阈值电压进行较大调整时，亚阈值摆幅显示出可忽略不计的退化。在相同的栅极过驱动偏置（即栅极电压和阈值电压之间的差异）下，p-GaN栅极HEMTs的导通电阻与有无p-FET电桥的导通电阻相似。尽管p-FET电桥下的2DEG沟道耗尽，但由于电桥区域外的公共接入区域，可能会保持较低的总导通电阻。我们还评估了阈值电压的热稳定性。为此，我们测量了几个p-FET桥HEMT的转移特性，每个都有不同的阈值电压。所有经过测试的HEMT在200 °C以下的阈值电压变化很小，小于0.4 V（见图4）。

 

图4：（a）在25°C至200 ℃的不同温度下测量的p-FET桥HEMT的传输特性；

(b）在具有不同VTH的p-FET桥HEMT上测量的VTH的温度依赖性。

引入p-FET电桥的另一个优点是，这种结构可以保持与传统p-GaN栅HEMT相同的反向开启电压，同时实现更高的正向传导阈值电压。

 

在反向传导下，p-GaN栅极总是通过p-FET沟道短路到源极，从而确保HEMT在此特定工作条件下的行为类似于栅极注入晶体管。因此，反向导通电压由常关栅极注入晶体管的阈值电压确定。以这种方式操作可确保充分利用2DEG沟道的反向传导能力，而不会牺牲任何面积。利用这一特性，通过引入p-FET电桥，可以实现具有较低导通电阻、较高阈值电压和较低反向导通电压的p-GaN栅HEMT。

 

 并增强了稳定性

 

使用传统的p-GaN栅极HEMTs，开关期间存在阈值电压偏移的威胁。在这些器件中，肖特基型p-GaN栅极可以看作是串联连接的一个肖特基结二极管和一个p-i-n二极管。在具有高栅极偏置的正向偏置下，p-i-n二极管是正向偏置的，驱动空穴注入从p-GaN到沟道，并对肖特基结电容器充电（见图5（a））。这导致p-GaN层中负空间电荷的增加。

 

图：(a)肖特基型p-GaN栅堆栈的等效电路；(b)正向偏置和(c)反向偏置下沿栅堆叠的能带图。

 

当这些传统器件在具有高漏极偏置的反向偏置下工作时，空穴通过肖特基二极管发射，使p-i-n电容放电（见图5（b））。因此，p-GaN中的空穴更少。由于肖特基势垒阻止了p-GaN层中空穴的快速补充，使栅极和漏极电压切换回较低水平会导致空穴缺陷。最终，观察到正的阈值电压偏移（见图6）。 

 

图6：传统肖特基型p-GaN栅HEMT（a）（c）和p-FET桥HEMT（b）（d）在正向（红色曲线）和反向偏置（蓝色曲线）下保持1秒后立即测量的的传输特性。

 

我们设计的一个显著优点是，浮动p-GaN层与源极短路。这确保了稳定的阈值电压，在从高应力电压切换到较低水平后，空穴立即流回到p-GaN。

 

简而言之，我们的HEMT设计提供了在宽范围内可调的稳定阈值电压方面出色的表现。这是一项重大突破，使该装置在提供广泛的高效功率转换方面又向前迈进了一步。

 

通过调节开启电压，我们可以线性地将阈值电压从3.6V改变到8.2V。令人鼓舞的是，当对阈值电压进行较大调整时，亚阈值摆幅的退化可以忽略不计。在相同的栅极过驱动偏置下(即栅极电压和阈值电压之间的差异)，带和不带p-FET桥的p-GaN栅HEMT的导通电阻是相似的。

 

进一步阅读

 

[1] M. Hua et al. ‘E-mode p-FET -bridge HEMT for Higher VTH and Enhanced Stability’, in 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), December 12-18, 2020 

 

[2] J. Chen et al. “Decoupling of Forward and Reverse Turn-on Threshold Voltages in Schottky-Type p-GaN Gate HEMT s,” in IEEE Electron Device Letters, doi: 10.1109/LED.2021.3077081

声明：本篇文章属于原创，拒绝转载，如果需要转载，请联系我们，联系电话：0755-25988571。