近日，中科院微電子研究所高頻高壓中心劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所孫錢研究員團(tuán)隊(duì)合作，基于前期在高性能n溝道超薄勢(shì)壘增強(qiáng)型HEMT（或n-FETs）研究中積累的研發(fā)基礎(chǔ)，結(jié)合氮化物特有的極化能帶調(diào)控引入AlN極化插入層，獲得了面密度2.1×10¹³ cm^-2的二維空穴氣（2-D Hole Gas,2DHG），為高性能p-FETs乃至GaN基CMOS的研制奠定了材料基礎(chǔ)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過引入重?fù)诫sp⁺⁺-GaN蓋帽層初步改善了p-FETs經(jīng)常存在歐姆接觸勢(shì)壘的問題，并基于團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低損傷p-GaN刻蝕，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種階梯式柵槽刻蝕的增強(qiáng)型GaN基p-FET（圖1（a）），克服了由重?fù)诫sp⁺⁺-GaN層導(dǎo)致的器件擊穿降低的不足。

　　圖1.（a）GaN基p-FETs器件結(jié)構(gòu)圖；（b）刻蝕與未刻蝕歐姆金屬之間p⁺⁺-GaN的TLM測(cè)試結(jié)果圖；（c）接觸區(qū)能帶圖；（d）AFM測(cè)得的柵槽截面圖 

　　GaN材料具有大禁帶寬度（~3.4 eV, Si: ~1.1 eV）、高臨界擊穿電場(chǎng)（~3.3 MV/cm, Si: ~0.3 MV/cm）、高電子漂移飽和速度（~2.5×10⁷ cm/s, Si: ~1×10⁷ cm/s）及高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性等性能優(yōu)勢(shì)，因此非常適用于高頻、高功率電力電子及射頻器件的制備。目前，基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistors, HEMTs）在手機(jī)快充及5G通信領(lǐng)域均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。然而，GaN分立器件的邏輯控制和前級(jí)驅(qū)動(dòng)目前大多仍是采用Si基的數(shù)字電路，極大的制約了GaN器件高頻應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，阻礙了GaN器件在芯片電源管理，以及高溫、輻照等極端場(chǎng)景下的應(yīng)用拓展。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）由于其突出的靜態(tài)功耗優(yōu)勢(shì)，是目前邏輯控制芯片中普遍應(yīng)用的技術(shù)方案，因此基于GaN材料的CMOS技術(shù)是推動(dòng)GaN功率集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要的技術(shù)支撐，必將進(jìn)一步推動(dòng)GaN功率芯片的智能小型化。 

　　GaN基CMOS技術(shù)發(fā)展面臨的主要瓶頸之一是高性能p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管（p-channel Field Effect Transistors, p-FETs）的研制。本研究發(fā)現(xiàn)，外延片表面整體生長(zhǎng)的Mg受主重?fù)诫sp⁺⁺-GaN層可以有效降低歐姆接觸電阻至15.69 Ω·mm（圖1（b）），同時(shí)，結(jié)合霍爾測(cè)試和能帶仿真計(jì)算結(jié)果證明了在p-GaN/AlGaN之間插入的AlN極化增強(qiáng)層可以有效提升二維空穴氣面密度至2.1×10¹³ cm^-2（圖1（c）），二者對(duì)于提升GaN基p-FET的電流能力都有重要的作用。但另一方面，p⁺⁺-GaN層的引入會(huì)使器件的耐壓下降，研究團(tuán)隊(duì)首先基于TCAD仿真計(jì)算確定了器件的擊穿主要發(fā)生在T型柵靠近漏端的柵帽邊緣處，進(jìn)而提出了階梯式柵槽刻蝕的技術(shù)方案（圖1（d）），通過將柵金屬與p⁺⁺-GaN層在空間上進(jìn)行分離，在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型及低歐姆接觸電阻的同時(shí)，提高了p-FET的擊穿電壓。本研究制備的GaN基p-FET具有10⁶的高電流開關(guān)比、-5.6 mA/mm的電流密度及-52 V的擊穿電壓（圖2），性能指標(biāo)均處于國(guó)際先進(jìn)水平（圖3）。 

　　圖2. GaN基p-FETs的（a）轉(zhuǎn)移特性曲線；（b）輸出特性曲線；（c）耐壓測(cè)試曲線 

　　圖3. 本研究GaN基p-FETs的電流密度、電流開關(guān)比及擊穿電壓與國(guó)內(nèi)外同類型器件對(duì)比圖 

　　相關(guān)研究成果將于2022年8月以“An Enhancement-mode GaN p-FET with Improved Breakdown Voltage”為題在線發(fā)表于IEEE Electron Device Letters期刊（DOI: 10.1109/LED.2022.3184998）；其中博士研究生金昊為論文第一作者，黃森和蔣其夢(mèng)研究員為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及北京市科委項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。