通孔长度调控解锁300 nm沟道常关GaN HEMT

摘要

报道通过控制多 Mesa 沟道（MMC）架构中通孔长度，在常关 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）方面取得突破。制备沟道宽度达 300 nm 的增强型（E-mode）器件，展示正阈值电压 +0.79 V（100 nm/2 μm）和 +0.46 V（300 nm/6 μm）。器件导通电阻低于常规三栅纳米带 HEMT，同时保持高漏电流和改善热稳定性。通孔长度控制表面钉扎和横向耗尽，实现可扩展常关 GaN 功率电子器件。

研究背景

III-V 宽禁带氮化物因大禁带、高临界场、高电子饱和速度，在高频高压应用中性能卓越。AlGaN/GaN 异质结构形成二维电子气（2-DEG）通道支撑高性能晶体管，但其固有耗尽型（D-mode）行为要求数字、射频、功率应用采用复杂电路。常规诱导常关策略——凹槽栅、p 型覆盖层、隧道结、离子注入、快速热退火——常降低良率或引入可靠性问题。近期鳍状纳米结构显示将沟道宽度缩至 ~100 nm 以下可正向偁移阈值电压（Vth），归因于侧壁表面钉扎和应力释放。但亚 100 nm 沟道难以实现低导通电阻（Ron），因栅宽缩放不利影响漏电和跨导。本工作通过集成可调通孔长度的三栅 MMC 结构，同时实现 E-mode 操作、低 Ron 和鲁棒热性能。

研究方法

AlGaN/GaN 外延层经 MOCVD（Nippon Sanso SR-2000）在 c 面蓝宝石上生长。600°C GaN 核化层后接 2 μm 非刻意掺杂 GaN 缓冲层、21.8 nm 非刻意掺杂 AlGaN 势垒层（23% Al）、2 nm GaN 覆盖层，均在 1180°C 沉积。Mesa 隔离和周期性沟槽刻蚀用 ICP-RIE（BCl₃/Cl₂）。熔融 KOH 恢复刻蚀后侧壁晶体结构并平滑，piranha 溶液除有机物。光刻定义源、漏、栅、接触焊盘。欧姆接触（Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm）850°C 真空退火 30 s；栅电极 Ni/Au 20/80 nm。器件尺寸：栅长 2 μm，MMC 宽 100-500 nm，通孔长 1-6 μm，高 130 nm。通孔长度未钝化以保留表面钉扎效应。

结果与讨论

大多数 GaN HEMT 因固有 2-DEG 仍为 D-mode。实现常关需精准控制表面耗尽和栅控制。侧壁悬空键（~10¹⁵ cm⁻²）产生表面钉扎场横向耗尽通道。三栅 MMC 中通孔长度决定耗尽程度。图3a示意侧壁横向耗尽。LMMC=2 μm 时 WMMC=100, 300, 500 nm 传输特性（图3b）显示 VDS=8 V 下 Vth 分别为 +0.79、-1.32、-2.18 V，确认窄宽度正向偁移 Vth。效应源于横向耗尽与通孔长度表面弯曲共同作用。固定 WMMC=300 nm 变化 LMMC（图4）得 LMMC=1, 2, 6 μm 对应 Vth=-2.12、-1.07、+0.46 V。6 μm LMMC 器件实现 E-mode。表1总结 Vth、IDSsat、gm 对 WMMC 和 LMMC 依赖性。显著地，LMMC 从 0.8 增至 6 μm 将 Vth 从负转正，同时降低 IDSsat 和 gm——功率应用中低 Ron 关键时这种权衡可接受。与现有技术相比，本 E-mode 器件展现显著更低 Ron 同时保持可接受漏电流和跨导，得益于工程表面钉扎和三栅几何。热测量证实分布电流流动降低焦耳热。

结论

证明多 Mesa 沟道 GaN HEMT 中通孔长度调控可实现沟道宽度达 300 nm 的常关操作。WMMC=300 nm、LMMC=6 μm 器件给出 Vth=+0.46 V、低 Ron 和改善功率处理能力，为下一代 GaN 功率电子器件铺平道路。