专为常关型（normally-off）GaN基MOS-HEMT设计的极化工程化结构：具有更高的漏电流和更高的击穿电压

《ACS Omega》：Polarization Engineered Design for Normally-Off, Higher Drain Current and Higher Breakdown Voltage Gan-Based MOS-HEMT

本研究提出一种基于极化工程的AlN fin结构增强型MOS-HEMT，通过选择性刻蚀形成二维空穴气体（2DHG）实现常关断特性，仿真显示阈值电压+2.3V，驱动电流提升6倍，击穿电压提升2.4倍，同时高频性能增强。

　　
该研究提出了一种基于氮化镓（GaN）的高电子迁移率晶体管（HEMT）新结构，通过创新性地利用铝氮化物（AlN）缓冲层形成 fin 结构，成功实现了增强型（E模式） normally off 运行特性，同时显著提升了器件的驱动电流和击穿电压。这一突破性进展为功率电子和射频应用中的可靠高电压器件设计开辟了新路径。

### 1. 技术背景与挑战
GaN HEMT 因其宽禁带（3.4 eV）、高电子迁移率（>1500 cm2/V·s）和优异临界击穿场强（>3 MV/cm）成为现代电力电子和射频器件的核心组件。然而传统AlGaN/GaN HEMT 存在 inherent normally on 问题：强自发极化和压电效应会在AlGaN/GaN异质结处自发形成二维电子气（2DEG），即使零偏压下仍存在导电通道。这种特性导致器件在电力系统等安全关键场景中存在安全隐患，需通过额外工艺（如p型GaN门、氟离子注入）实现 normally off 操作，但存在漏电流大、阈值电压不稳定等问题。

### 2. 创新性器件结构设计
研究团队提出了一种 novel AlN fin 结构，通过选择性刻蚀AlN缓冲层形成纵向 fin 结构（图1b），该设计巧妙结合了极化工程与结构优化：
- **AlN fin 作用机制**：在GaN通道下方的AlN fin区域诱导二维空穴气（2DHG），通过空间电荷效应提升导带底能级，形成局部电势壁垒。该结构在零栅压时即可实现2DEG的完全耗尽，从而获得增强型 normally off 特性。
- **关键参数优化**：
- **AlN fin 位置**：与AlGaN势垒层间距15 nm，通过AlN与GaN的晶格失配（a(AlN)=0.3112 nm，a(GaN)=0.3189 nm）产生显著压电应变，形成强极化电荷。
- **fin 尺寸**：长度1 μm、高度0.175 μm，确保覆盖整个栅极区域的同时最小化导通电阻。
- **介质层**：15 nm厚氧化铝（Al?O?）栅介质，通过原子层沉积（ALD）工艺实现高介电强度（373 GPa）和低界面态密度（D_it=1.2×1013 cm?2·eV?1），有效抑制栅极漏电流。

### 3. 仿真验证与性能突破
通过Silvaco ATLAS TCAD建模与实验数据标定，该设计在多个关键指标上实现跨越式提升：
- **阈值电压特性**：在零偏压下（V_GS=0）实现+2.3 V的正阈值电压，较传统增强型器件提高60%以上。这种特性源于AlN fin区域诱导的2DHG对通道电子的耗尽作用（图10a），同时氧化铝栅极（工作函数5.7 eV）与AlN fin形成协同极化效应，有效屏蔽界面态电荷。
- **驱动电流提升**：在10 V漏源电压下，最大漏极电流达1.43 A/mm，较传统增强型PE-HEMT提升5.8倍。这得益于：
- **通道优化**：AlN fin形成的局部电场使导带底上移，降低载流子势垒，增强栅极对通道的调控能力。
- **2DEG分布控制**：通过fin结构将电子气浓度从传统器件的1013 cm?2降至1012 cm?2量级（图10a），显著减少串联电阻。
- **高压性能突破**：击穿电压达586 V（定义在漏极电流0.25 A/mm时），较同类埋入AlN盒结构（250 V）提升2.3倍。关键机制包括：
- **AlN缓冲层优势**：其临界场强（11 MV/cm）是GaN的3.3倍，配合fin结构引导的电场分布，有效抑制局部雪崩。
- **电荷补偿效应**：AlN fin诱导的2DHG与AlGaN势垒的极化电荷形成空间电荷补偿，降低界面态密度（D_it=1.2×1013 cm?2·eV?1），提升击穿场强。

### 4. 高频特性与工艺兼容性
- **频率响应**：通过AC分析显示，截止频率（f_T）达3.76 GHz（较传统PE-HEMT提升40%），最大振荡频率（f_max）6.2 GHz（提升20%）。这得益于：
- **高跨导特性**：在V_GS=6 V时跨导峰值达325 mS/mm，栅极对通道的强电场调控能力。
- **低寄生电容**：氧化铝栅介质（15 nm）与AlN fin结构有效降低C_gs和C_gd（栅源/栅漏电容），提升高频响应。
- **工艺兼容性**：采用标准MOCVD生长+ICP-RIE刻蚀工艺（图3流程），无需p型GaN外延层或复杂离子注入，与现有GaN HEMT生产线兼容。模拟显示其制造工艺复杂度较氟注入方案降低约30%。

### 5. 与现有技术的对比优势
| 技术方案 | 阈值电压(V) | 最大电流(A/mm) | 击穿电压(V) | 栅介质材料 | 工艺复杂度 |
|------------------|--------------|----------------|--------------|--------------|------------|
| 本设计（AlN fin） | +2.3 | 1.43 | 586 | Al?O? | 中等 |
| 氟离子注入 | +0.8 | 0.2 | 200 | SiO? | 高 |
| p-GaN门 | +3.0 | 0.36 | 650 | Al?O? | 极高 |
| 埋入AlN盒 | +2.3 | 0.2 | 250 | Si?N? | 高 |

**核心优势分析**：
1. **平衡性能突破**：在保持+2.3 V高阈值电压（优于埋AlN盒结构）的同时，实现1.43 A/mm的驱动电流（较p-GaN门提升4倍），且击穿电压达586 V（较氟注入方案提升2.9倍）。
2. **可靠性提升**：通过AlN fin与GaN通道的晶格失配（Δa=0.0077 nm）产生的压电应变（e_31=-0.6×10?? C/cm2）与自发极化（P_sp=0.3112 nm）协同作用，使极化电荷密度降低40%，显著改善阈值电压稳定性。
3. **高频性能优化**：采用高κ Al?O?栅介质（15 nm）使栅极电容降低30%，同时AlN fin的纵向结构减少载流子散射，使f_max提升20%。

### 6. 关键设计参数影响
- **AlN fin间距（S）**：间距每增加10 nm，阈值电压下降0.2 V，但击穿电压提升约5%（因电场分布优化）。
- **fin长度**：当长度超过500 nm时，阈值电压变化趋缓，但电流密度下降5-8%，需在200-500 nm间优化。
- **极化比例因子（S_p=0.5）**：通过引入表面缺陷态（如氧空位）进行部分极化电荷屏蔽，在保证+2.3 V阈值的同时，将击穿场强从传统结构的3 MV/cm提升至5.8 MV/cm。

### 7. 工程应用前景
该设计在电动汽车车载充电器（400-800 V）、工业电机驱动（600-1200 V）等场景中具有显著优势：
- **安全冗余**：正常关断状态可承受100%额定电压而不导通，较传统方案提升50%安全裕度。
- **效率优化**：在相同的导通电阻（R DS(on) <10 mΩ/mm）下，电流密度较主流方案提升3-5倍。
- **成本控制**：采用现有AlGaN缓冲层生长工艺，无需额外p型材料外延，单器件成本降低约15%。

### 8. 未来发展方向
研究团队提出以下优化路径：
1. **三维结构拓展**：开发多指AlN fin结构（间距50 nm，高度0.2 μm），预计击穿电压可突破800 V。
2. **界面工程升级**：采用氮化硅（Si?N?）复合介质层，将界面态密度进一步降低至1012 cm?2·eV?1。
3. **动态特性研究**：计划通过高速瞬态测量（THD）验证器件在开关频率＞10 GHz下的性能衰减特性。

### 9. 技术经济性分析
相较于主流增强型方案，该设计在以下维度具有竞争优势：
- **良率提升**：通过选择性刻蚀工艺，将缓冲层刻蚀良率从85%提升至92%。
- **散热优化**：fin结构形成自然散热通道，器件结温可降低15-20℃。
- **系统集成度**：省略外置反馈电路（因内置强栅控特性），系统复杂度降低30%。

该研究标志着GaN功率器件从"可靠驱动"向"可靠关断"的范式转变，为下一代车规级（AEC-Q101认证）功率IC开发提供了关键解决方案。其核心创新在于通过结构极化工程（Strain Polarization Engineering）替代传统掺杂或外延工艺，在单一工艺步骤中实现 Normally off 与高电压特性，为宽禁带半导体器件的产业化奠定了理论基础。