香港科技大學(xué)使用氮氧化鎵（GaON）表面增強(qiáng)層（SRL）來提高p型柵極GaN溝道功率高電子遷移率晶體管（HEMT）的柵極電壓窗口和長期可靠性。與其他有關(guān)p-GaN HEMT的報(bào)告相比，該設(shè)備在10年的使用壽命中提供了最高的最大柵極電壓。

　　對(duì)于p-GaN柵極HEMT，研究人員使用了專為E模式p-GaN柵極功率HEMT設(shè)計(jì)的6英寸硅上GaN（GaN/Si）晶片。層結(jié)構(gòu)為4.2μm高電阻GaN緩沖層，420nmGaN溝道，15nm Al_0.2Ga_0.8N和100nm p-GaN蓋。覆蓋層中摻雜了3x10¹⁹/cm³的鎂。

　　使用感應(yīng)耦合氧等離子體處理，然后在氮?dú)庵杏?00°C退火30分鐘，創(chuàng)建GaON SRL。二次離子質(zhì)譜（SIMS）顯示氧滲透到p-GaN中的深度約為5nm。SRL所需的等離子體/退火處理僅使表面粗糙度略有增加，為0.44nm。

　　然后通過三氯化硼（BCl₃）電感耦合等離子體蝕刻形成帶有SRL帽的p型柵極。通過4nm AlN的等離子體增強(qiáng)原子層沉積（PEALD）和60nm SiNx的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）形成鈍化層。然后打開源/漏接觸窗，以沉積退火的鈦/鋁/鎳/金歐姆接觸。

　　使用多能量氟離子注入實(shí)現(xiàn)了器件隔離。鎳/金柵極接觸是在另一個(gè)接觸窗打開過程之后進(jìn)行的。該設(shè)備配有接觸墊并與HEMT觸點(diǎn)互連。

　　HEMT的尺寸是柵極長度為4μm，接觸窗口為2μm，柵-源極/源極間距分別為15μm和2μm。

　　對(duì)于0.01mA/mm的漏極電流，該器件的閾值電壓（V_TH）為+1.4V，與不帶SRL的比較器件相同。兩種晶體管均具有90mV/10倍亞閾值擺幅，并且開/關(guān)電流比高，大于10⁸。11Ω-mm的比導(dǎo)通電阻（R_ON）被描述為“低”。

　　在關(guān)斷狀態(tài)下的測(cè)量中，當(dāng)柵極和襯底接地到源電壓水平時(shí)，漏極偏壓在擊穿前達(dá)到740V，電流為1μA/mm。超過550V漏偏壓的主要泄漏源來自于襯底。這些結(jié)果表明，SRL的部署既不會(huì)顯著改變正向傳導(dǎo)特性，也不會(huì)損害器件的反向阻斷能力。

　　通過SRL插入，正向柵極擊穿電壓從10.5V增加到12.7V，同時(shí)將柵極泄漏降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。使用Fowler-Nordheim隧穿擬合柵極電流-電壓行為，研究人員估計(jì)帶SRL的φb為1.1eV，不帶SRL的φb為0.6eV。相對(duì)于GaN的3.4eV，較高的勢(shì)壘反映了GaON的4.1eV帶隙較寬。

　　擊穿電壓在150°C時(shí)有所增加，在使用SRL時(shí)擊穿電壓增加到13.4V，在沒有SRL的情況下?lián)舸╇妷涸黾拥?1.4V，在較高的溫度下，柵極泄漏的減少量減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　隨時(shí)間變化的柵極擊穿測(cè)試在一定范圍的偏差下進(jìn)行。SRL可以提高10年/1％失效水平7.8V的最大柵極電壓（VG-max）的估算值，而沒有SRL的則為5.9V。SRL器件的柵極電壓范圍擴(kuò)大了，可以為柵極驅(qū)動(dòng)器電路提供設(shè)計(jì)靈活性。

　　研究小組表示，在較高的柵極應(yīng)力下，較高的柵極泄漏電流進(jìn)一步證明了p-GaN表面區(qū)域得到了增強(qiáng)，以通過部署GaON SRL更好地維持對(duì)高能載流子的轟擊。