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基于6英寸Si的MIS p-GaN隧穿栅HEMT:一种提升栅极可靠性的新方法
MIS p-GaN Tunneling Gate HEMTs on 6-In Si: A Novel Approach to Enhance Gate Reliability
| 作者 | Zhanfei Han · Xiangdong Li · Jian Ji · Qiushuang Li · Yuanhang Zhang · Lili Zhai |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN HEMTs MIS结构 Al2O3 阈值电压 正向偏置栅击穿电压 |
语言:
中文摘要
为了提高 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极摆幅并降低栅极泄漏,本工作引入了具有超薄 Al₂O₃ 隧穿层的新型金属 - 绝缘体 - 半导体(MIS)p - GaN 隧穿栅 HEMT。通过改变原子层沉积(ALD)的氧源以及 MIS 结构中 Al₂O₃ 的厚度,我们得到以下结果:1)使用 H₂O 作为氧源进行 Al₂O₃ 沉积时引入的过量氢会严重使 Mg 掺杂剂失活,使阈值电压 $V_{\text {TH}}$ 负向漂移,并损害动态性能;2)MIS 结构可有效提高正向偏置栅极击穿电压 $V_{\text {G - BD}}$;3)然而,MIS 结构中较厚的 Al₂O₃ 绝缘层会损害动态稳定性;4)采用 O₃ 作为氧源沉积 3 纳米超薄 Al₂O₃ 绝缘层的 MIS p - GaN 隧穿栅 HEMT,其 $V_{\text {G - BD}}$ 从 12 V 提高到 13.2 V,栅极泄漏得到抑制,$V_{\text {TH}}$ 从 1.8 V 优化到 2.2 V,且 $V_{\text {TH}}$ 稳定性和动态导通电阻 $R_{\text {on}}$ 性能不受影响。本工作不仅揭示了传统 MIS p - GaN 栅 HEMT 的缺点,还提出了一种新型 MIS p - GaN 隧穿栅结构,专门用于平衡静态和动态性能,从而为制造高可靠性 HEMT 提供了新的选择。
English Abstract
To enhance gate swing and reduce gate leakage in p-GaN gate high electron mobility transistors (HEMTs), this work introduces novel metal-insulator–semiconductor (MIS) p-GaN tunneling gate HEMTs with an ultrathin Al2O3 tunneling layer. By varying the oxygen sources of atomic layer deposition (ALD), as well as the Al2O3 thickness of the MIS structure, we demonstrate the following results: 1) overdose hydrogen introduced by Al2O3 deposition using H2O as oxygen source severely deactivates the Mg dopants, negatively shifts the threshold voltage V_ TH , and undermines the dynamic performance; 2) the MIS structure can effectively boost the forward bias gate breakdown voltage V_ G-BD ; 3) thick Al2O3 insulator of the MIS structure can, however, undermine the dynamic stability; and 4) MIS p-GaN tunneling gate HEMTs, with a 3-nm ultrathin Al2O3 insulator deposited using O3 as the oxygen source, exhibit an improved V_ G-BD from 12 to 13.2 V, a suppressed gate leakage, an optimized V_ TH from 1.8 to 2.2 V, and unaffected V_ TH stability and dynamic R_ on performances. This work not only exposes the drawbacks of the traditional MIS p-GaN gate HEMTs but also proposes a novel MIS p-GaN tunneling gate structure to dedicatedly balance the static and dynamic performance, thus providing a new option for fabricating high-reliability HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项MIS p-GaN隧穿栅极HEMT技术对我们在光伏逆变器和储能系统中的功率器件应用具有重要战略意义。
该技术通过在p-GaN栅极结构中引入超薄Al2O3隧穿层,有效解决了传统p-GaN栅极HEMT的核心痛点。对于阳光电源的高功率密度逆变器产品,该技术带来的正向栅极击穿电压提升(从12V到13.2V)和栅极漏电抑制,可显著增强系统在高频开关和过载工况下的可靠性,这对我们追求99%以上转换效率和25年以上产品寿命至关重要。阈值电压从1.8V优化至2.2V,也为系统的抗干扰能力和安全裕度提供了更好保障。
特别值得关注的是研究中揭示的工艺细节:使用O3而非H2O作为ALD氧源可避免氢致Mg掺杂失活,这对保持动态性能至关重要。3nm超薄绝缘层的精确控制在提升静态性能的同时不损害动态Ron特性,这种平衡对于我们储能变流器的快速响应需求极为关键。
从技术成熟度评估,该技术已在6英寸硅基底上实现,与现有产业链兼容性良好,但向8英寸或更大尺寸的量产转移仍需验证。主要挑战在于超薄Al2O3层的工艺一致性控制和长期可靠性验证。对阳光电源而言,建议关注该技术在650V/1200V电压平台的应用潜力,可考虑与上游GaN器件供应商开展联合开发,将其整合到下一代高频化、高功率密度的逆变器平台中,进一步巩固我们在新能源电力电子领域的技术领先优势。