研究栅极金属对p-GaN栅极HEMTs中势垒降低、导通电阻和击穿电压的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Investigation of gate metal effects on barrier lowering, on-resistance, and breakdown voltage in p-GaN gate HEMTs

1. 研究系统分析了不同门金属（Ni/Cu/W）对p-GaN HEMT性能的影响机制，发现低功函数金属会降低AlGaN/GaN通道的有效栅压，导致导通电阻增大、漏电流增加，并通过能带结构模拟验证了DIBL效应与门击穿场强的关联性。

　　

毛佳|侯斌|杨玲|郭立新|郑学锋|马晓华|郝月

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研究中心，710071

摘要

本研究系统地探讨了栅极金属选择对

GaN

HEMT性能的影响机制。通过结合栅源电容特性与栅极/

GaN

界面处的输出电流密度和导通电阻测量结果进行综合分析，我们发现施加在AlGaN/GaN沟道上的有效栅压会随着金属功函数的降低而减小，从而导致输出电流降低和导通电阻升高。定量表征显示，Ni/

GaN

、Cu/

GaN

和W/

GaN

HEMT的漏极诱导势垒降低系数分别为2 mV/V、22.2 mV/V和46.7 mV/V，相应的关断态击穿场强分别为0.62 MV/cm、0.56 MV/cm和0.48 MV/cm。数值模拟和能带图分析一致地验证并阐明了栅极金属对漏极诱导势垒降低效应和关断态击穿特性的影响。

引言

GaN

栅极高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种基于氮化镓（GaN）材料的增强型功率器件，通过

型

GaN栅极结构实现正常关断操作[1]。它具有高击穿电压、低导通电阻和高开关速度，使其成为下一代电力电子系统的核心组件[2,3]。与传统硅基功率MOSFET相比，

GaN

HEMT表现出更强的临界电场强度和电子迁移率，从而实现更高的功率密度和更好的高频性能[4]。目前，这项技术已广泛应用于快速充电适配器、数据中心电源和新能源汽车（NEV）驱动系统等领域。

科学家们广泛研究了栅极金属对

GaN

HEMT性能的影响。Lee等人研究了Ni、Ti和Mo栅极金属对阈值电压和输出特性的影响[5]。Greco等人研究了Al/Ti栅极堆栈金属的热预算对

GaN

HEMT特性的影响，发现高温退火后金属与

GaN

之间的肖特基势垒显著降低，导致漏电流增加[6]。Hwang等人比较了Ni和W栅极金属对阈值电压和栅极击穿特性的影响，发现低功函数栅极金属可以提高阈值电压并抑制栅极漏电流[7]。然而，诸如漏极诱导势垒降低（DIBL）和关断态漏电流特性等可靠性挑战仍然研究不足，这些仍是工业应用中的关键研究课题。在MOSFET中，DIBL效应主要源于短沟效应（SCEs）[8,9]。当沟道长度缩小到纳米级别时，漏极电场会穿透沟道并削弱源极势垒，导致阈值电压随漏极电压的增加而降低，同时增加关断态漏电流。这些效应显著降低了功率效率和器件可靠性。为减轻金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中的DIBL效应，研究人员采用了Fin场效应晶体管（FinFET）和全环绕栅极（GAA）结构，以及HfO₂等高k介电材料来减少等效氧化层厚度，同时增强栅极控制能力[[10], [11], [12]]。

相比之下，

GaN

HEMT中的DIBL物理机制具有独特的特点。

GaN

HEMT中的二维电子气（2DEG）沟道同时受到栅极和漏极电场的影响[13]。在高漏极偏压下，极化场和耗尽现象的耦合效应共同降低了势垒，削弱了栅极控制能力并引发了类似MOSFET的DIBL行为。特别是在高压快速开关应用中，

GaN

HEMT中的DIBL效应可能导致阈值电压不稳定和动态特性退化，最终影响开关可靠性。尽管场板、基板和缓冲层对

GaN

HEMT的关断态击穿特性的影响已得到广泛研究[14,15]，但栅极金属选择的影响仍研究不足。

在本研究中，选择了三种具有不同功函数的金属作为

GaN

HEMT的栅电极。通过结合栅极电容特性，我们对栅极金属对

GaN

HEMT导通电阻的影响进行了全面研究，特别关注了不同栅极金属类型对DIBL效应和关断态击穿特性的影响机制。通过栅极/

GaN

接触特性的阈值电压变化以及在高和低Vd条件下的能带图变化数值模拟，确认了不同栅极金属在

GaN

HEMT中沟道势垒降低效应的差异。

设备结构与制备

外延结构是在SiC基板上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长的，包括1.3微米的高电阻率GaN缓冲层，随后是300纳米的未掺杂GaN沟道层、25纳米的Al_0.2Ga_0.8N势垒层，以及80纳米的

GaN

盖层，其Mg掺杂浓度为3 × 10¹⁹ cm^?3，以实现增强模式操作和高栅极击穿电压，如图1(a)所示。设备制备首先对

GaN

层进行精确的基于Cl的干法刻蚀。

栅极金属选择对p-GaN HEMT栅极击穿特性的影响

图2(a)展示了使用Ni、Cu和W作为栅极金属的

GaN

HEMT的栅极漏电流特性。许多研究基于这一特性提取了栅极金属/p-GaN界面的肖特基势垒高度[24,25]。根据我们之前的研究，Ni/

GaN

、Cu/

GaN

和W/

GaN

界面的有效势垒高度分别为0.42 eV、0.72 eV和0.87 eV[26]。Ni/

GaN

、Cu/

GaN

和W/

GaN

HEMT的栅极击穿电压显示出

结论

本研究全面分析了三种具有不同功函数的栅极金属（Ni、Cu、W）对

GaN

HEMT整体性能的影响机制。通过结合栅源电容特性和相对于栅极/

GaN

接触特性的输出电流密度/导通电阻的评估，我们证明了低功函数金属会在AlGaN/GaN沟道上产生较小的有效栅压，从而导致输出电流降低

CRediT作者贡献声明

毛佳：概念构思。侯斌：数据整理。杨玲：形式分析。郭立新：实验研究。郑学锋：方法学设计。马晓华：项目管理。郝月：项目管理和资金获取。

资金支持

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）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M770531和2024M752517）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2019JCW-14和2020JCW-12）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：ZYTS25218和QTZX25069）的支持。

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所述的工作。