近日，微電子所氮化鎵（GaN）功率電子器件研究團(tuán)隊與香港科技大學(xué)陳敬教授團(tuán)隊、西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊合作，在GaN增強(qiáng)型MIS-HEMT器件研制方面取得重要進(jìn)展，成功研制出具有國際先進(jìn)水平的高頻增強(qiáng)型GaN MIS-HEMT器件。 

　　第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度等優(yōu)異的物理性質(zhì)，尤其是材料本身的強(qiáng)自發(fā)和壓電極化效應(yīng)能在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)出高密度、高遷移率的二維電子氣（遷移率可達(dá)到2000 cm²/V·s以上），突破了傳統(tǒng)Si基功率器件的材料極限。這些優(yōu)良性質(zhì)促使GaN功率電子器件在工作頻率和電能轉(zhuǎn)換效率上脫穎而出，成為下一代高效節(jié)能功率電子器件的最佳候選之一。  

　　增強(qiáng)型，也叫常關(guān)型，是電力電子應(yīng)用的關(guān)鍵要求，其中柵槽刻蝕工藝是最早實現(xiàn)GaN增強(qiáng)型器件的技術(shù)之一。傳統(tǒng)的刻蝕工藝主要在常溫下進(jìn)行，無法實現(xiàn)刻蝕所造成的晶格損傷的原位恢復(fù)和刻蝕殘留物的及時清除，造成器件輸出電流的急劇降低，成為制約該技術(shù)在GaN功率電子領(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸。微電子所GaN功率電子器件研究團(tuán)隊通過耐高溫刻蝕掩模技術(shù)，創(chuàng)新性地采用高溫柵槽刻蝕工藝顯著降低對溝道二維電子氣的損傷，提高了刻蝕殘留物的揮發(fā)。同時采用自主研制的臭氧輔助原子層沉積技術(shù)，制備出高絕緣、低缺陷的Al₂O₃柵介質(zhì)，有效抑制了柵極漏電流。結(jié)合以上兩項創(chuàng)新（如圖1所示），最終研制出閾值電壓+1.6V，脈沖輸出電流高達(dá)1.13A/mm，關(guān)態(tài)功耗僅為6×10^-8 W/mm的GaN增強(qiáng)型MIS-HEMT器件。相對于常溫刻蝕制備的MIS-HEMT器件（輸出電流0.42A/mm），高溫刻蝕輸出電流提高了將近兩倍（如圖2（a）和（b）所示）。 

　　該增強(qiáng)型MIS-HEMT器件在4GHz下的脈沖輸出功率達(dá)到5.76 W/mm，功率附加效率57%，高于國際上報道的閾值電壓超過+1.5V MIS-HEMT器件的功率性能（如圖2（c）所示）。該增強(qiáng)型GaN MIS-HEMT的成功研制突破了柵槽刻蝕技術(shù)制備GaN功率電子器件的瓶頸，為進(jìn)一步提高氮化鎵電子器件的工作頻率（10 MHz以上）和轉(zhuǎn)換效率奠定了扎實基礎(chǔ)。  

　　該項目得到國家自然科學(xué)基金和香港政府創(chuàng)新技術(shù)基金的資助。研究成果在半導(dǎo)體研究領(lǐng)域權(quán)威網(wǎng)站Semiconductor TODAY上報道并被中科院英文網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，即將發(fā)表于2015年8月的IEEE Electron Device Letters（http://dx.doi.org/10.1109/LED.2015.2445353）。  

　　圖1 （a）研制的GaN增強(qiáng)型MIS-HEMT結(jié)構(gòu)；（b）器件柵極TEM剖面圖 

　　圖2 （a）常溫刻蝕MIS-HEMT器件脈沖輸出性能；（b）高溫刻蝕MIS-HEMT器件脈沖輸出性能；（c）高溫刻蝕MIS-HEMT器件RF功率性能 

　　相關(guān)新聞鏈接： 

1. 　　Semiconductor TODAY: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2015/jul/hkust_080715.shtml 

2. 　　Chinese Academy of Sciences: http://english.cas.cn/newsroom/research_news/201507/t20150709_150066.shtml