钝化AlGaN功率器件击穿电压突破2.6kV

美国威斯康星大学麦迪逊分校研究团队成功制备出蓝宝石基钝化AlGaN MISHEMT ，其巴利加优值（BFOM）达到同基底顶尖钝化AlGaN沟道器件的1.7倍。该器件实现最高巴利加优值325兆瓦/平方厘米，击穿电压2.6千伏。

未做钝化处理的器件虽可实现更高击穿电压，但缺失钝化工艺会劣化器件动态工作性能。研究团队表示：电力电子应用场景要求器件同时具备优异的导通、关断特性，这就离不开可靠的表面钝化工艺与电场均匀化优化设计。

研究人员认为，相较于其他超宽禁带（UWBG）半导体材料，蓝宝石基底高铝组分AlGaN器件有望在兼顾高压耐受能力的同时，提供更适配规模化量产、成本更低的衬底方案。尽管其他衬底能够实现更优越的器件性能，但蓝宝石是氮化物半导体产业化配套供应链最成熟的衬底，量产成本低于绝大多数替代方案，同时拥有稳定可落地的规模化制造工艺路线。

研究人员在氮化铝/蓝宝石模板上采用MOCVD制备HEMT外延片。在沟道层与AlGaN势垒层之间插入一层厚度仅1纳米的氮化铝薄膜，用以提升二维电子气（2DEG）特性。通过范德堡法霍尔测试得出，二维电子气面载流子浓度为1.1×10¹³/平方厘米，迁移率167平方厘米/(伏・秒)。

图1左图：带源极场板结构的AlGaN沟道HEMT二维剖面示意图（未按比例绘制）；右图：器件制备工艺流程。

顶层AlGaN材料铝组分梯度降至40%，便于退火后的钛/铝/镍/金源漏金属电极形成低阻欧姆接触。电极制备完成后，采用低功率氯基反应离子刻蚀（RIE）对栅极区域与接入区进行刻蚀，低功率工艺可最大限度降低等离子体造成的表面损伤；同时采用220纳米深度反应离子刻蚀实现台面隔离。

栅介质层采用10纳米厚原子层沉积（ALD）氧化铝薄膜，栅极金属选用镍/金叠层。器件钝化层为200纳米等离子体增强MOCVD（PECVD）氮化硅薄膜，并增设宽度1微米的源极场板。实验中仅改变漂移区栅漏间距（LGD），其余器件尺寸固定：栅长（LG）2微米、栅宽100微米、源栅间距（LSG）1.5微米。更长的漂移区可让压降分布在更大范围，降低峰值电场，提升击穿电压，但会同步增大器件导通态电流通路电阻。

不同栅漏间距下导通电阻变化曲线测算得出，器件有效方块电阻为3477欧姆/方，与传输长度法（TLM）标准测试得到的3100欧姆/方数值基本吻合。

研究人员解释：二者观测差值主要来源于制程带来的器件性能偏差，栅漏间距越大，该偏差会愈发明显。

脉冲工况测试中，栅漏间距15微米的器件导通电阻上升10%。团队测试数据显示：器件最大漏极电流从直流工况下的273毫安/毫米下降至235毫安/毫米，三极管区还出现明显的膝电压漂移现象。上述现象说明脉冲工作下沟道与接入区导电性能劣化，根源为陷阱效应——表面与界面陷阱态会在关断偏置应力下改变沟道内电荷分布。

该15微米栅漏间距器件在漏极电流0.1安/毫米时阈值电压为-12伏，漏极偏置30伏下，器件开关电流比可达10⁶量级。器件在接近击穿电压区间仍可稳定工作，研究人员认为这说明栅介质薄膜完整性良好。

团队测试了器件关断态击穿特性，通过击穿电压除以栅漏间距（BV/LGD）计算平均击穿电场。栅漏间距仅2微米的器件实现最高平均击穿电场2.1兆伏/厘米；15微米长漂移区器件平均击穿电场降至1.35兆伏/厘米。

图2(a)15微米栅漏间距器件漏极电流-漏偏压特性曲线；(b)击穿电压、平均电场随栅漏间距变化趋势图。

研究团队分析：随栅漏间距增加，平均击穿电场出现衰减，该规律与氧化镓、氮化镓横向功率晶体管一致，诱因是栅漏边缘区域出现电场集中效应。

研究人员将本次器件性能与过往击穿电压超1千伏的同类器件文献数据对比。未钝化器件通常击穿指标优于钝化器件；在所有钝化型器件中，本研究成果仅在低击穿电压区间弱于该团队此前自研器件。

研究人员指出：器件钝化工艺对横向HEMT动态性能起到决定性作用，能够抑制诱发电流色散的表面陷阱。虽然表面陷阱会劣化器件动态导通特性，但可通过重新分配栅漏边缘电场、起到等效场板的效果，提升器件关断耐压稳定性，改善击穿性能。

在击穿电压2千伏以上区间，该器件平均击穿电场（大于1.3兆伏/厘米）相较此前已报道的顶尖钝化AlGaN HEMT提升超30%。性能提升得益于栅介质层优化，有效匀化了栅漏接入/漂移区的电场分布。

均匀化电场大幅提升器件巴利加优值（计算公式BFOM=BV²/RON,sp）：栅漏间距20微米器件击穿电压2616伏、比导通电阻20.89毫欧・平方厘米，巴利加优值达325兆瓦/平方厘米，器件导通电阻81.43毫欧・毫米。

研究人员还将该器件与其他超宽禁带半导体横向功率器件做全域性能对标。

图3(a)蓝宝石基AlGaN沟道横向HEMT电场性能对标图；(b)不同栅漏间距下器件导通电阻、巴利加优值变化曲线；(c)导通电阻-击穿电压与顶尖超宽禁带横向晶体管性能对标。

研究人员评价：与氧化镓、金刚石基横向晶体管对比后可见，本器件性能与二者处于同一梯队，大幅缩小了与行业顶尖氧化镓、金刚石器件巴利加优值的差距。团队后续研究规划开展系统性场板优化、探索全新器件结构、迭代台面终端设计等电场调控技术，充分挖掘该材料体系的性能潜力。