采用反应溅射NiN制成的高性能环形p-GaN AlGaN/GaN HEMT晶体管，采用x型栅极结构

《Vacuum》：High performance ring-type p-GaN AlGaN/GaN HEMTs using reactively sputtered NiN x gate

氮化镍门极p-GaN HEMTs通过Ar/N?气氛下Ni活性溅射制备，表现出低导通电阻（45.1Ω·mm）、高击穿电压（11V）及优异阈值电压稳定性（-0.94mV直流应力，-0.1V脉冲应力）。XPS和XRD证实NiN?形成，STEM/EDX分析表明未完全反应的Ni抑制了载流子陷阱，平衡了低漏与高稳定性。

　　

毛佳|侯斌|杨玲|肖倩|薛志强|张萌|吴梅|卢浩|马晓华|岳浩

中国西安电子科技大学集成电路学院宽禁带半导体国家工程技术研究中心，710071

摘要

本研究展示了通过Ar/N₂气氛中的反应磁控溅射Ni制备的NiN_x栅极

-GaN HEMTs的优异性能，实现了更好的电气特性和卓越的阈值电压稳定性。通过X射线光电子能谱和X射线衍射分析，确证了NiN_x的形成。同时分析了NiN_x栅极金属化的截面STEM/EDX结果。所制备的环形NiN_x/

-GaN HEMTs表现出优异的性能，包括45.1 Ω·mm的低导通电阻和11 V的高栅极击穿电压，远优于其Ni栅极对应器件（分别为47.1 Ω·mm和8.6 V）。在5 V直流栅极应力测试中，阈值电压变化仅为-0.94 mV，显示出显著的稳定性；在5 V脉冲栅极应力下，ΔV_th仅为-0.1 V。这些结果，包括保持的导通电阻、提高的击穿电压和出色的阈值电压稳定性，充分表明在Ni溅射过程中掺入氮是一种开发高性能

-GaN HEMTs的有效策略。

引言

常关型AlGaN/GaN HEMTs具有正的阈值电压，在功率电子系统中被广泛用于降低功耗并确保安全运行，同时在CMOS电路应用中也展现出巨大潜力[[1], [2], [3]]。由于其可靠的性能和成熟的制造工艺，

-GaN栅极结构在功率电子行业中得到了广泛应用，并且仍然是活跃的研究领域[4,5]。对于基于GaN的集成电路，开发具有低栅极泄漏和稳定阈值电压的

-GaN HEMTs在设计和实际应用中都至关重要[6]。

栅极金属的选择对

-GaN HEMTs的性能有重要影响，根据其与

-GaN层的相互作用，

-GaN HEMTs被分为欧姆型或肖特基型接触[7]。欧姆型栅极可以实现低阈值电压和高输出电流密度，但由于在高正栅极偏压下会发生大量的空穴注入，导致击穿电压降低和器件寿命缩短[8]。为了克服这一限制，人们正在积极探索具有更宽工作电压范围的肖特基型

-GaN HEMTs[[9], [10], [11], [12]]，其中低泄漏变体（例如W/

-GaN、TiN/

-GaN）由于载流子捕获而表现出阈值电压不稳定，而高泄漏类型（例如Ni/

-GaN）则影响长期可靠性[13,14]。因此，需要仔细优化栅极金属/

-GaN结，以平衡泄漏和稳定性。最近利用欧姆接触通过空穴注入来稳定阈值电压的混合栅极设计提供了一种有前景的解决方案，尽管其多步骤制造过程增加了制造复杂性[15]。

先前的研究表明，在磁控溅射镍（Ni）栅极金属时引入氮气可以形成NiN_x薄膜[16,17]。一方面，氮化镍（NiN_x）具有较低的工作函数[18]，可以与

-GaN形成更宽的耗尽区，增加

-GaN表面的势垒高度，从而提高栅极击穿电压。另一方面，未完全与氮反应的Ni可以与

-GaN形成导电通道，有效释放栅极堆栈和AlGaN中的捕获载流子，从而实现更稳定的阈值电压。

本文提出了采用反应溅射NiN_x栅极的

-GaN HEMTs，并研究了不同栅极应力下的直流（DC）特性和阈值电压（V_th）稳定性。NiN_x防止了大量的空穴注入，保证了优异的栅极击穿电压。与本研究中制备的Ni/

-GaN HEMTs相比，NiN_x/

-GaN HEMTs具有低导通电阻和11 V的高击穿电压。同时，未完全反应的Ni为空穴注入提供了合适的通道，并抑制了阈值电压的正向移动，在5V-1600 s的栅极应力下阈值电压变化仅为-0.94 mV。在0–6 V的栅极应力下，动态传输特性的最大阈值电压变化仅为0.1 V，这些特性充分证明了NiN_x作为

-GaN HEMTs栅极的优异前景。

实验细节

实验方法

本实验采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在SiC基底上生长外延结构，包括1.3 μm的高阻GaN缓冲层、300 nm未掺杂的GaN通道层、25 nm的Al_0.2Ga_0.8N势垒层以及80 nm的

-GaN盖层，该盖层掺杂有2 × 10¹⁹ cm^-3的Mg以实现增强模式操作（图1(a)）。器件制备首先对

-GaN活性区域进行基于Cl的原子层刻蚀（ALE），以确保刻蚀精度，这一点通过完整的AlGaN结构得到了验证

结果与讨论

图5展示了在1 V漏极电压下Ni/

-GaN HEMTs和NiN_x/

-GaN HEMTs的温度依赖性传输特性。V_th定义为对应于1 mA/mm漏极电流密度的栅极电压。在室温下，NiN_x/

-GaN HEMT的导通/关断电流比为8.6 × 10⁸，阈值电压为0.60 V，而Ni/

-GaN HEMT的导通/关断电流比为5.9 × 10⁸，阈值电压为0.59 V。值得注意的是，Ni/

-GaN HEMT表现出

结果与讨论

本研究全面评估了所制备的NiN_x/

-GaN HEMTs的电气特性，特别关注了常关型器件的性能和在栅极应力条件下的稳定性。虽然传统的Ni/

-GaN HEMTs具有高栅极泄漏，导致输出电流下降和低栅极击穿电压，但开发的NiN_x/

-GaN HEMTs表现出更优异的性能，包括低导通电阻、在直流和脉冲栅极应力下的稳定阈值电压等

CRediT作者贡献声明

毛佳：撰写——原始草案。侯斌：数据整理。杨玲：形式分析。肖倩：实验研究。薛志强：方法学设计。张萌：软件开发。吴梅：项目监督。卢浩：结果验证。马晓华：项目管理。岳浩：资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62474135、62234009、62090014和62404165）的支持，部分得到了中国博士后科学基金（项目编号：2025M770531和2024M752517）的支持，部分得到了陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2019JCW-14和2020JCW-12）的支持，以及中央高校基本科研业务费（项目编号：ZYTS25218和QTZX25069）的支持。