p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT导通机制的物理解析——第一部分

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Physical Insights Into Turn-On Mechanisms in p-GaN Gate AlGaN/GaN HEMTs—Part I

优化p-GaN门AlGaN/GaN HEMT阈值电压的研究通过实验设计变体、物理建模和计算分析，揭示了器件的完全耗尽与部分耗尽双模式机制，并提出了Ti/TiN和Ta/Au新型门金属堆栈技术，分别将门泄漏降低2和4个数量级，同时提升击穿电压至11.4V和15.5V。

　　

摘要：

在这项研究中，通过对比不同器件设计方案、进行精确的计算以及基于物理原理的分析建模，提出了一种优化p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT阈值电压（Vth）的技术。虽然所有器件都采用了相同商用级别的外延层结构，但通过精心选择不同的设计参数来分析这些参数对阈值电压的影响。研究的设计变量包括栅极金属堆叠结构、p-GaN的掺杂类型和浓度以及侧壁钝化处理方式。通过将实验结果与基于物理原理的分析模型和计算结果进行对比，揭示了p-GaN栅极HEMT的导通机制。研究发现，这种导通机制取决于p-GaN层的耗尽模式。据此，研究人员识别出两种不同的工作模式：完全耗尽模式和部分耗尽模式。在部分耗尽模式下，发现了栅极漏电流路径与栅极-通道耦合之间的独特关联，这种关联决定了器件的阈值电压。基于这些研究结果，提出了相应的器件设计指导原则以最大化阈值电压。此外，还开发出了新型的Ti/TiN和Ta/Au栅极金属堆叠结构，这两种结构分别将栅极漏电流降低了两个数量级和四个数量级。同时，这些新型结构还显著提升了器件的阈值电压稳定性，并提高了击穿电压（Ti/TiN结构的击穿电压约为11.4 V，Ta/Au结构的击穿电压约为15.5 V）。