通过集成p+-GaN/p-InGaN/p-GaN复合栅极并延长栅极终端，降低GaN E模式HEMTs中的动态RON和ΔVTH：仿真结果证明

《Micro and Nanostructures》：Reducing dynamic- R ON and Δ V TH in GaN E-mode HEMTs by integrating p+-GaN/p-InGaN/p-GaN composite gate with gate termination extension: Simulation evidence

提出一种采用复合门和门终止扩展（CG-GTE）的增强型GaN HEMT结构，通过二维空穴气体增强沟道耗尽抑制缓冲层电荷捕获，同时降低门边缘峰值电场，有效缓解动态导通电阻下降和阈值电压漂移问题，经TCAD仿真验证其电气性能显著优于传统结构。

　　

黄丽艳|王有阳|孙宇|朱晓波|顾文华

南京工业大学微电子学院（集成电路学院），中国南京210094

摘要

本文提出了一种新型氮化镓（GaN）增强模式（E-mode）HEMT结构，该结构采用p⁺-GaN/p-InGaN/p-GaN复合栅极，并结合栅极终端延伸技术（CG-GTE），旨在抑制高电压应用下p-GaN栅极HEMT的动态导通电阻（R_ON）退化和阈值电压（V_TH）不稳定问题。CG-GTE能够产生二维空穴气体（2-DHG），在高反向偏压下增强沟道耗尽效应，从而抑制缓冲层中的电子捕获，并提供低电阻路径以释放积累的空穴，从而减轻电荷捕获现象。同时，GTE结构能够重新分布并降低栅极边缘的峰值电场。这些机制协同作用，有效减轻了缓冲层中的电荷捕获问题。TCAD仿真验证了所提出的CG-GTE结构的电气鲁棒性。该器件在650 V关断状态下动态导通电阻与静态导通电阻的比值为1.9，相比传统结构的约8.3提高了四倍以上。在0-6 V的动态栅极应力（V_GSQ）下，CG-GTE的阈值电压变化（ΔV_TH）仅为-0.2 V，是传统结构的3.9倍。此外，在0-50 V的动态漏极应力（V_DSQ）下，CG-GTE的阈值电压变化不超过0.048 V，是传统结构的7.7倍。这些结果表明，CG-GTE E-mode HEMT是实现可靠高电压GaN功率器件的有效方案。

引言

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其优异的材料特性（如宽禁带、高临界击穿场强和高电子迁移率）而在高功率和高频应用中受到广泛关注[1]、[2]。为了确保功率电子产品的安全可靠运行，通常采用关断状态工作模式。在各种实现增强模式（E-mode）HEMT的技术途径中，p-GaN栅极架构被认为是最具商业前景的解决方案之一[3]、[4]。然而，传统的p-GaN栅极HEMT在动态切换过程中仍存在显著的可靠性问题，尤其是动态导通电阻（R_ON）增加和阈值电压（V_TH）变化[5]、[6]，这些因素限制了其长期性能。

这些可靠性问题主要源于GaN缓冲层和器件表面同时发生的电荷捕获/释放现象[7]、[8]，这对高电压和高功率应用中的GaN基器件构成了严峻挑战。为了解决这些问题，人们探索了多种策略来提升p-GaN栅极HEMT的动态导通电阻（R_ON）性能，包括先进的表面钝化技术[9]、[10]和优化的场板设计[11]。为了进一步抑制动态导通电阻的退化，还提出了主动钝化的p-GaN栅极HEMT（AP-HEMT）[7]、[12]。这种结构采用连接栅极的主动钝化层，覆盖器件表面并向漏极方向延伸，使得钝化层内的移动空穴能够有效屏蔽表面陷阱，减轻二维电子气体（2-DEG）的耗尽。此外，p-GaN栅极的空穴发射与主动钝化引起的电荷泵送效应相结合，显著提升了缓冲层中捕获载流子的恢复过程。因此，栅极注入的移动空穴与栅极/p-GaN界面处的优化欧姆接触的协同作用对于实现和维持低动态导通电阻至关重要[13]。

为了解决阈值电压（V_TH）不稳定问题，从器件层面和电路层面提出了多种解决方案。在器件层面，引入了欧姆-肖特基混合栅极[14]、绝缘体/p-GaN栅极堆栈[15]和集成p-FET桥[16]等结构，以防止p-GaN区域中的电荷积累并稳定阈值电压（V_TH）。然而，这些方法可能会牺牲器件性能或增加制造复杂性。在电路层面，提高栅极驱动电压并在关断状态下施加负栅极偏压可以部分补偿双向阈值电压（V_TH）漂移[17]。但这些方法也存在实际缺陷，如安全工作区域变窄、损耗增加、动态导通电阻（R_ON）升高以及驱动电路复杂性增加[18]、[19]。

为了同时抑制动态导通电阻（R_ON）退化和阈值电压（V_TH）不稳定，本文提出了一种优化的E-mode HEMT结构，采用p⁺-GaN/p-InGaN/p-GaN复合栅极（CG）并结合栅极终端延伸技术（GTE），称为“CG-GTE”。首先，通过二维TCAD仿真系统比较和分析了四种器件结构的电气性能，证实了CG-GTE设计的优越性。其次，通过分析空间电荷、电场、电子浓度和电流密度分布，阐明了CG-GTE性能提升的物理机制。最后，提出了可行的制造流程，证明了所提出CG-GTE结构的可制造性，为未来的GaN功率系统提供了可靠的器件平台。

器件结构与建模

分析的器件结构如图1所示。图1(a)展示了传统（CONV）GaN-on-sapphire p-GaN栅极HEMT的器件架构，遵循参考文献[21]中的配置。外延堆栈包括：10-nm重掺杂的p⁺覆盖层（确保欧姆栅极/p-GaN接触）、70-nm p-GaN栅极层（Mg浓度约为3×10¹⁹ cm^-3）、15-nm Al_0.2Ga_0.8N势垒层、200-nm GaN沟道、1.8-μm GaN缓冲层以及150-nm AlN成核层

传输特性与输出特性

图4比较了四种器件类型（CONV、GTE、CG和CG-GTE）的传输特性和输出特性。如图4(a)所示，在V_DS=1 V时，所有器件的阈值电压（V_TH）约为0.9 V（定义在I_{D=10 μA/mm）。引入GTE结构后，阈值电压（VTH）略有上升，导通电流略有下降。器件的输出特性是在栅极电压从VGS=0 V扫描到3.5 V的条件下测量的}

结论

总之，本文提出了一种新型CG-GTE E-mode HEMT架构，该架构结合了p⁺-GaN/p-InGaN/p-GaN复合栅极和栅极终端延伸技术（GTE），有效抑制了动态退化现象，同时保持了良好的直流特性。四种器件类型的阈值电压（V_TH）在V_DS=1 V时均约为0.9 V，引入GTE后阈值电压仅略有上升，导通电阻（R_ON）增加了20.4-20.5 Ω.mm。此外

作者贡献声明

孙宇：数据收集与整理。王有阳：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据收集与整理。黄丽艳：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法研究、数据收集与整理。顾文华：撰写、审稿与编辑、指导。朱晓波：指导、研究

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致谢

本研究部分得到了江苏省重点研发计划（项目编号：BE2023818）、国家自然科学基金（项目编号：62404103）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20230917、BK20253062）、中央高校基本科研业务费（项目编号：30924012001）、中国电子研究所（CIE）-Smartchip研究基金（项目编号：2023-003）以及中国留学基金委（项目编号：202406840006）的支持。