低沟道损伤高电流密度的氮化镓增强型射频器件及实现方法

材料来源：陕西省西安市西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心、宽带隙半导体技术国家重点学科重点实验室

在一项最近发表的研究中，西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心的研究人员利用强极化薄势垒AlN/GaN异质结构和远程等离子体辅助热氧化法制备了增强型高电子迁移率晶体管(HEMT)，实现了低沟道损伤、高饱和电流、以及高击穿电压的电学特性。该项工作为制备高效率高功率的增强型射频器件及功放芯片提供了优良的解决方案，在移动通信终端、微基站、近地轨道小卫星应用领域具有射频芯片高性能、小型化等优势。

Fig. 1. Schematic cross-section of device structures: (a) D-mode AlN/GaN HEMTs and (b) E-mode AlN/GaN HEMTs.

Fig. 2. DC characteristics of D-mode devices without RPO treatment and E-mode devices with RPO treatment: (a) Transfer characteristics of the drain current, threshold voltage, transconductance, and gate leakage current at V_D = 6 V (L_GD = 5 μm and L_G = 1 μm). (b) Output I_D–V_D characteristics for the HEMTs with D-mode (E-mode) at V_G swept from −2.6 V(−1 V) up to 1.4 V(3 V) with the step of 1 V.

Fig. 3. (left) Three terminal off-state breakdown characteristics for the HEMTs with D-mode and E-mode. (right) Device characteristics under different RPO processing time: (a) maximum drain current and threshold voltage with RPO. (b) Drain leakage current (V_D = 6 V, V_G = −6 V) and breakdown voltage (V_G = −6 V).

西安电子科技大学报道的基于远程等离子体氧化法制作增强型AlN/GaN高电子迁移率晶体管及其直流表现

GaN 基HEMT在高速和高功率电路领域的应用是非常具有前景的。在实际应用中，如果作为开关器件应用，考虑到系统的安全问题，需要器件在不施加栅压的时候沟道可以保持着关断的状态。如果考虑到实际电路中的功率消耗问题，对于耗尽型器件来说，需要栅极施加额外的电压将器件关断。而增强型器件的栅极不需要施加额外的电压就可以将其关断。因此，考虑到实际工作中的系统的安全、功耗以及电路设计的简化，制作增强型器件是很有必要的。随着射频器件尺寸的缩小，越来越多的器件采用超薄势垒层结构制备InAlN、ScAlN、AlN等增强型HEM器件。然而，由于尺寸缩小和强极化效应，器件制作过程更加繁琐，特别是用于毫米波和亚毫米波应用的超薄势垒材料体系。具有超薄势垒的增强型器件面临着高击穿电压、沟道电子散射和高界面态浓度的挑战。

为了解决该问题，西安电子科技大学的研究人员利用AlN对氧化的敏感性，提出了利用远程氧等离子体处理降低势垒层极化作用制备增强型器件的方法。AlN主要通过氧化加工成AlON，可以耗尽栅极下的二维电子气，从而达到增强的目的。这样可以减少刻蚀引起的沟道电子散射效应，相对提高增强型器件的电子迁移率。

这种基于超薄势垒AlN/GaN的远程等离子体氧化技术，具有沟道损伤小、器件击穿电压高的优点。利用远程等离子体氧化技术制备的低通道损伤的增强型AlN/GaN HEMT器件 (Fig.1)，其接触电阻为0.3 Ω·mm，阈值电压为0.4 V，最大电流为1.06 A/mm (Fig.2)。随着处理时间的增加，AlN势垒的氧化过程趋于饱和，器件击穿电压提升到74 V。从耗尽型到增强型，只消耗最大电流的7.8% (Fig.3)，直流特性十分出色。

该工作提出的远程氧等离子体处理方法为GaN基射频增强型HEMT器件制作及其射频应用中提供了一种有前景的解决方案。

Liu S, Zhu J, Guo J, et al. Improved Breakdown Voltage and Low Damage E-Mode Operation of AlON/AlN/GaN HEMTs Using Plasma Oxidation Treatment[J]. IEEE Electron Device Letters, 2022, 43(10): 1621-1624.