关于栅极连接的鳍形p-NiO GaN HEMT中电荷平衡与动态空穴注入的分析研究

《Micro and Nanostructures》：Analytical Research on Charge Balance and Dynamic Hole Injection in Gate-Connected Fin-shaped p-NiO GaN HEMTs

　　

徐茹 | 王秀萍 | 徐诺 | 张瑞豪 | 赵建国 | 程志群

南京信息科学大学集成电路学院，中国南京 210044

摘要

为了解决GaN HEMT中击穿电压（BV）与特定导通电阻（R_{ON,sp）之间的权衡问题以及动态开关不稳定性问题，本研究将一种类超结结构的GaN HEMT与具有嵌入式p-GaN（E-pGaN）结构的GaN HEMT进行了对比。该设计采用Fin形p-NiO（Fin-pNiO）减表面电场（RESURF）结构，并采用了简化的磁控溅射工艺，避免了E-pGaN所需的二次外延过程。分析建模表明，该器件采用了垂直场板配置，使得电荷平衡与横向通道宽度无关。因此，该结构克服了E-pGaN器件的几何限制。最终，优化后的器件实现了1400 V的BV和0.67 mΩ·cm²的最小RON,sp，功率优值为2.92 GW/cm²。此外，引入了栅极连接的双层策略，通过建立有效的空穴注入路径来解决浮动结构的动态失效问题。这一机制将空穴恢复过程转换为快速的栅极驱动过程，从而将导通延迟降至1 μs以下。最终，该设计同时实现了高静态效率和强动态可靠性。}

引言

由于GaN HEMT具有宽禁带、高临界击穿电场（EF）和高电子迁移率等优异特性，在高频和高功率应用中展现出巨大潜力。然而，传统结构不仅受到击穿电压（BV）与特定导通电阻（$$' role="presentation">$$）之间的权衡限制，同时在栅极边缘还面临严重的EF拥挤问题。

为了解决这些问题，基于p型层的超结（SJ）和减表面电场（RESURF）概念已被广泛研究[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]，包括具有嵌入式p-GaN（E-pGaN）结构的类超结HEMT。尽管E-pGaN显著改善了EF分布，但它严重依赖于复杂的二次外延生长，这增加了制造成本和复杂性。相比之下，p型氧化镍（p-NiO）作为一种有前景的替代品应运而生。通过使用简化的磁控溅射工艺，p-NiO可以形成Fin形p-NiO（Fin-pNiO）结构，这种方法避免了二次外延，同时提供了优异的工艺兼容性[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]。

然而，对于E-pGaN和Fin-pNiO器件来说，动态不稳定性仍然是一个关键挑战。具体而言，具有浮动p区的结构缺乏有效的空穴注入通道。在高频开关过程中，这种缺陷会导致空穴恢复不足，从而导致严重的动态RON退化甚至完全导通失败。

为了探索一种平衡静态性能、动态可靠性和工艺可行性的综合解决方案，本研究提出了一种优化的Fin形p-NiO（Fin-pNiO）HEMT，并将其与E-pGaN HEMT进行了对比研究。我们深入分析了EF调制机制。关键的是，我们提出了一种栅极连接的双层Fin-pNiO策略来克服动态导通失败问题。该设计实现了快速的空穴重新注入，并验证了溅射p-NiO方案在综合功率性能上优于外延p-GaN方法。

本文的结构如下：第2节详细介绍了器件结构和校准的物理模型。第3节系统分析了静态优化机制，并通过提出的栅极连接设计解决了动态不稳定性问题。最后，第4节总结了本研究。

章节片段

器件结构和物理模型参数

图1(a)展示了所提出的AlGaN/GaN HEMT的3D示意图，其中包含嵌入式p-GaN（E-pGaN）结构。该器件的外延层由蓝宝石衬底、GaN缓冲层和Al摩尔分数为0.23的AlGaN阻挡层组成。两个p-GaN区域对称地嵌入GaN缓冲层中，以调节EF。$$表示一侧p-GaN区域的宽度。详细的尺寸参数列在表1中。

图1(b)描述了...

静态击穿和导通电阻优化

首先，如图3所示，研究了E-pGaN HEMT的静态击穿特性。优化过程从几何尺寸开始，具体包括嵌入式p区域的长度（$$）、厚度（$$）和宽度（$$）。为了量化这些参数对EF分布的影响，我们基于高斯定律建立了一个全面的3D电荷平衡模型。与简单的2D模型不同，这种类超结结构中的EF梯度由净电荷决定

结论

本研究通过提出Fin-pNiO结构，解决了E-pGaN HEMT的固有几何限制。分析建模证实，该结构与横向通道宽度的电荷平衡条件无关，与E-pGaN器件的严格几何依赖性不同。这种设计独立性使得电阻可以在不牺牲击穿电压的情况下显著缩放，从而实现了2.92 GW/cm²的优异功率优值。

此外，关键的动态...

CRediT作者贡献声明

赵建国：项目管理。程志群：项目管理。徐茹：验证、软件、项目管理、方法论、形式分析、数据整理、概念构思。王秀萍：撰写——审阅与编辑、初稿撰写。徐诺：撰写——审阅与编辑。张瑞豪：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。