CMOS 兼容 Hf0.5Zr0.5O2/Al2O3介质层氮化镓高电子迁移率晶体管的铁电开关行为研究

针对 GaN HEMTs 存在的大栅漏电流、严重栅滞后及阈值电压固定等问题，研究人员采用电子束蒸发技术开展 Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电集成 HEMT（Fe-HEMTs）研究。制备的 20 nm HZO 器件具优异亚阈值摆幅等性能，阈值电压可调，为相关器件发展提供新途径。

　　

在电子信息领域，功率器件的性能提升始终是科研与产业界的焦点。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）凭借高浓度二维电子气（2DEG）和高击穿电场等优势，在功率电子系统中备受青睐。然而，其面临着两大棘手难题：一是高密度表面态导致的大栅漏电流和严重栅滞后现象，这极大限制了其在高功率、高频领域的商业化应用；二是阈值电压（V_th）对于特定器件架构而言天生固定，阻碍了需要可编程极化状态的全 GaN 集成电路的发展。传统的 SiO₂、Al₂O₃等栅介质虽能抑制栅漏电流，却以牺牲跨导和栅极控制能力为代价。因此，开发新型栅介质材料与制备技术成为突破瓶颈的关键。

为解决上述问题，国内研究人员开展了 Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）铁电集成 GaN HEMT（Fe-HEMTs）的研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》，为 GaN 基功率器件的极化可编程设计提供了新方向。

研究主要采用的关键技术方法包括：电子束蒸发技术，用于沉积 20 nm 厚的 HZO 铁电薄膜，通过混合 ZrO₂和 HfO₂颗粒并精确调节电子束流实现薄膜制备；铁电性能表征，将 HZO 沉积在 Mo / 蓝宝石底电极上，制备 Ti/Au 顶电极的三明治结构，并在氮气氛围中 600°C 退火处理；电学性能测试，通过测量亚阈值摆幅、开关比、阈值电压调谐范围等参数评估器件性能。

结果与讨论

• 铁电薄膜特性：HZO 薄膜的铁电特性源于非中心对称正交（o）相，其极化强度与 Hf:Zr 原子比密切相关，当原子比为 1 时可获得最强铁电极化。电子束蒸发技术为化学计量比调制提供了高度自由度，通过优化前驱体比例和退火条件，获得了剩余极化强度为 8 μC/cm²、矫顽场为 2 MV/cm²的 HZO 薄膜。
• 器件电学性能：20 nm 厚 HZO 集成的 Fe-HEMTs 表现出优异的亚阈值摆幅（63.3 mV/dec）和超过 7×10⁸的高开关比。通过施加不同的预极化电压，阈值电压成功调谐范围达 1.85 V，显示出良好的极化可编程性。
• 界面特性与耦合机制：频率相关的电容 - 电压（CV）分析表明，HZO 集成 HEMTs 的界面态密度（D_it）低于传统 Al₂O₃介质层的 HEMTs，证实了 Fe-HEMTs 优异的界面质量。同时，研究了低泄漏电场下 HZO/Al₂O₃界面的极化开关行为和铁电耦合机制。

结论

本研究通过电子束蒸发技术成功制备了 CMOS 兼容的 HZO 铁电集成 GaN HEMTs，系统研究了其铁电开关行为。结果表明，优化后的 HZO 薄膜具有良好的铁电性能，所制备的器件实现了阈值电压的宽范围调谐和优异的电学性能，且界面质量优异。该工作为开发低成本、CMOS 兼容的极化可编程 GaN HEMTs 器件开辟了新途径，有望推动全 GaN 集成电路在高频、高功率电子领域的应用，为解决传统 GaN HEMTs 的性能瓶颈提供了切实可行的技术方案，在功率电子和集成电路领域具有重要的科学意义和应用价值。