← 返回
原位N₂或H₂/N₂等离子体预处理对Si₃N₄/AlN/GaN MIS-HEMT界面与边界陷阱的研究
Interface and Border Traps Study in Si₃N₄/AlN/GaN MIS-HEMTs With In-Situ N₂ or H₂/N₂ Plasma Pretreatment
| 作者 | Jiaofen Yang · Jing Xiao · Ming Tao · Kai Tang · Bin Zhang · Hongyue Wang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 等离子体预处理 界面陷阱 边界陷阱 陷阱密度 MIS - HEMTs |
语言:
中文摘要
本研究探究了原位 N₂ 或 H₂/N₂ 等离子体预处理对常开型 Si₃N₄/AlN/GaN 金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管（MIS - HEMT）中等离子体增强原子层沉积（PEALD）AlN 与 GaN 之间界面陷阱态和近界面陷阱态的影响。分别采用高频电容 - 电压（HFCV）测试和电导法对具有不同时间常数的界面陷阱密度以及不同能级的界面陷阱密度进行了表征。分别采用准静态电容 - 电压（QSCV）测试和 1/f 噪声法对近界面陷阱的能级和空间分布以及近界面陷阱密度进行了表征。研究发现，与原位 N₂ 等离子体预处理相比，原位 H₂/N₂ 等离子体预处理能更有效地降低总体陷阱密度。此外，与未进行等离子体预处理相比，两种等离子体预处理工艺对近界面陷阱的抑制作用均大于对界面陷阱的抑制作用，且对浅界面陷阱的抑制效果比对深界面陷阱的抑制效果更显著。
English Abstract
This work investigated the impact of in-situ N2 or H2/N2 plasma pretreatment on the interface and border trap states between plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) AlN and GaN in normally-off Si3N4/AlN/GaN MIS-HEMTs. The interface trap density with different time constants and the trap density at different energy levels of the interface traps are characterized by high frequency capacitance-voltage (HFCV) test and conductance method, respectively. The energy level & spatial distribution of the border traps and the border trap density are characterized by quasi-static capacitance C-V (QSCV) test and 1/f noise method, respectively. It is found that in-situ H2/N2 plasma pretreatment more effectively reduces the overall trap density compared to in-situ N2 plasma pretreatment. Moreover, both plasma pretreatment process has a greater suppression effect on the border traps than on the interface traps compared to no plasma pretreatment. And it is more effective at suppressing the shallow interface traps than the deep ones.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于GaN MIS-HEMTs器件界面陷阱态优化的研究具有重要的战略价值。氮化镓（GaN）功率器件凭借其高频、高效、高功率密度的特性，正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品的关键技术方向，直接影响系统的转换效率、功率密度和可靠性。
该研究通过H₂/N₂等离子体预处理技术显著降低了AlN/GaN界面的陷阱态密度，这对阳光电源的产品开发具有多重价值。首先，界面陷阱态的减少可有效抑制器件的阈值电压漂移和动态导通电阻增加，这将直接提升逆变器在宽负载范围内的转换效率和长期稳定性。其次，边界陷阱的优化能降低1/f噪声，改善器件的开关特性，使得更高频率的PWM调制成为可能，从而减小磁性元件体积，提高系统功率密度——这对于我们追求的高度集成化逆变器和储能PCS产品至关重要。
从技术成熟度评估，PEALD工艺和等离子体预处理均为成熟的半导体制造技术，但在GaN功率器件的规模化应用中仍需解决成本控制和工艺一致性问题。对阳光电源而言，技术机遇在于：通过与上游GaN器件供应商的深度合作，将这类先进工艺应用于定制化功率模块，可在1500V光伏系统和大容量储能变流器等高端应用中建立技术壁垒。主要挑战则是需要建立完整的GaN器件应用评估体系，包括长期可靠性验证和系统级优化方案。建议启动相关预研项目，抢占下一代高性能功率电子技术的制高点。