基于LPCVD SiNx钝化兼容栅介质的新型GaN D/E-HEMT平台单片比较器研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Monolithic Comparators on a Novel Platform of GaN-based D/E-mode HEMTs by LPCVD SiNx Passivation Compatible to Gate Dielectrics

本文针对GaN功率集成电路中D/E-HEMT工艺兼容性难题，创新性地采用LPCVD SiNx同时作为栅介质和钝化层，成功研制出比较范围1-3.5 V(VDD=5 V)、上升时间754 ns(100 kHz)的高温稳定比较器，为GaN功率IC发展提供了新解决方案。

　　

在功率电子领域，氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)因其高开关速度、低导通电阻和高击穿电压等优势，正逐步取代传统硅基器件。然而，当这些器件迈向高端应用时，可靠性问题成为主要障碍。其中，由板级寄生效应引起的开关振荡问题尤为突出，这不仅对GaN功率器件的栅极和漏极耐压能力构成挑战，更限制了其工作频率的进一步提升。

为解决寄生电感和电容带来的困扰，近年来业界开始重点关注GaN基驱动器与功率开关的单片集成方案。作为功能电路的基本单元，逆变器和比较器需要与功率器件工艺兼容且具备高性能。理想情况下，采用类似CMOS的n沟道和p沟道串联结构是节能解决方案，但GaN材料中空穴迁移率较低的问题使得p沟道器件研发仍面临挑战。在p-GaN栅HEMT平台中，工艺兼容性和可靠性问题尤为突出——例如栅介质和表面钝化工艺可能存在冲突，这对比较器的比较范围、输出电平等特性产生直接影响。

在这项发表于《IEEE Journal of the Electron Devices Society》的研究中，研究人员成功开发了一种基于新型GaN HEMT平台的单片集成比较器，创新性地采用低压化学气相沉积(LPCVD)SiN_x同时作为栅介质和钝化层。通过解决器件制备中的兼容性问题，团队实现了高性能耗尽型(D-mode)和增强型(E-mode)GaN HEMT的制备，并在此基础上构建了电压比较器。

研究团队采用了几项关键技术：基于p-GaN/AlGaN/GaN异质结的外延结构生长技术，通过自终止干法刻蚀实现p-GaN区域精确图形化；利用原子层沉积(ALD)AlN保护层结合LPCVD SiN_x的复合钝化方案，有效保护AlGaN势垒层并减少界面态；采用湿法腐蚀替代干法刻蚀的温和开窗工艺，确保p-GaN表面完整性以实现稳定的金属/p-GaN肖特基结。

器件制备平台

研究人员在Si(111)衬底上通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备了p-GaN/AlGaN/GaN HEMT结构。创新性地采用LPCVD SiN_x同时作为D-mode HEMT的栅介质和表面钝化层，通过引入ALD AlN保护层有效防止了AlGaN势垒层在高温过程中的分解。测试结果显示，D-mode HEMT的阈值电压(V_TH)为-6.2 V，最大跨导(G_m,max)为114 mS/mm；E-mode HEMT的V_TH为1.37 V，G_m,max为137 mS/mm。器件在100°C下仍保持良好性能，且晶圆不同位置表现出优异的均匀性。

比较器设计与性能

电路采用差分输入结构，D-mode HEMT(D1、D2)作为有源负载，D3作为尾电流源，E-mode HEMT(E1、E2)构成差分对。通过系统分析晶体管尺寸对电压传输特性的影响，最终确定优化尺寸：W_G,D1=W_G,D2=5μm，W_G,E1=W_G,E2=1000μm，W_G,D3=50μm。制备的比较器在V_DD=5 V时比较范围为1-3.5 V，但输出摆幅随参考电压(V_ref)增加而收窄。通过TCAD仿真分析发现，这源于D-mode器件阈值电压较深(-6 V)导致的电流失配问题。

高温稳定性与动态特性

在动态测试中，比较器在100 kHz驱动频率下上升时间为754 ns，优于已报道的MIS D/E-HEMT比较器(2.5 μs)。高温测试表明，电路在200°C下仍能稳定工作，输出电压高电平(V_OH)仅下降0.2 V，上升时间变化可忽略不计，展现出优异的高温可靠性。

该研究通过创新性地采用LPCVD SiN_x兼容工艺，成功解决了GaN基功率IC中D/E-mode HEMT集成的关键技术难题。所研制的比较器不仅实现了宽比较范围和快速响应，更在高温环境下表现出卓越的稳定性，为GaN功率IC的发展提供了新的技术路径。这种高兼容性平台不仅有助于提升功率器件的输入信号稳定性，在GaN基模拟应用领域也具有广阔前景。