近日，南边科年夜学深港微电子学院院善于洪宇传授团队于GaN器件研究中取患上系列主要进展，研究结果接踵发表于于国际微电子器件权势巨子期刊IEEE Electron Device Letters(EDL)、Applied Physics Letters(APL)和IEEE Transactions on Electron Devices(TED)期刊上。相干事情得到国度天然科学基金面上项目、广东省重点范畴研发规划项目、深圳市基础研究重点项目和深圳市天然科学基金面上项目的撑持。

跟着电力电子体系对于器件更高功率密度、高效率、高频事情能力的连续需求，以和将来电力电子运用对于小尺寸及低成本的需求，传统的硅基电力电子器件已经靠近其物理极限。于这类配景下，第三代半导体质料进入了公家视线。氮化镓（GaN）作为第三代半导体质料的代表，具备年夜的禁带宽度、高击穿电场、高电子饱及漂移速度等良好特征，已经于手机快充范畴实现贸易化运用，并于智能电网、新能源汽车、数据中央、5G通信及雷达等高频高功率范畴体现出巨年夜的运用远景，被认为是下一代信息存储和智能制造技能的焦点。我国“十四五规划”也提出以成长GaN器件为构建将来能源体系的方针，标记着GaN质料与器件成为结构国度 “新基建”的要害焦点之一。

免刻蚀常关型GaN凹栅MIS-HEMT器件

面向年夜功率电源电路对于常关型GaN器件的需求，在洪宇团队初次开发了两种新型的选择性区域生长技能，联合高质量原位SiNx钝化和原子层沉积工艺，制备了系列高机能免刻蚀常关型GaN凹栅MIS-HEMT器件。凡是，GaN凹栅HEMT器件需要经由过程刻蚀界说出栅极区域，易引入离子毁伤和外貌缺陷。再生长技能可以有用改善刻蚀毁伤问题，但总体流程为先栅工艺，难以制备高质量钝化质料。本研究初次于再生长技能中引入MOCVD原位SiNx钝化，并基在原位SiNx及再生长势垒层界说的凹栅布局，制备出常关型GaN MIS-HEMT器件，使用再生长和原位钝化工艺的上风，于连结高阈值电压（Vth 2.5 V）的同时实现了世界最优程度之一的导通电阻和阈值电压迟滞。该事情有用按捺了选区再生长及原位SiNx工艺制备常关型GaN HEMT的技能缺陷，为开发低毁伤常关型GaN功率器件提供了翔实的理论引导及技能撑持。相干事情以“Normally-OFF AlGaN/GaN MIS-HEMTs With Low RON and Vth Hysteresis by Functioning In-Situ SiNx in Regrowth Process”为标题发表于IEEE EDL杂志上[1]。南科年夜深港微电子学院与中国香港理工年夜学联培博士生何佳琦为文章第一作者，在洪宇传授为通信作者，南科年夜为第一通信单元，该事情也获得了中国香港理工年夜学李刚传授的撑持。

图1. A GaN MIS-HEMT器件布局;B 外延布局AFM/TEM; C常关型器件转移/输出特征;D阈值电压-导通电阻Benchmark

p-GaN栅常关型GaN HEMT器件

栅极击穿电压和其靠得住性作为功率开关器件的要害机能指标，于工业出产和现实运用中具备主要研究价值。今朝，高功率电源电路中的开关管采用p-GaN型栅常关型HEMT器件，但这类已经经实现贸易化出产的器件布局仍存于必然问题：器件的击穿电压凡是较低；于较高的栅极驱动电压前提下，器件持久事情靠得住性不足，器件轻易毁坏。为解决上述问题，在洪宇团队经由过程调控p-GaN于外延生长历程中的参数，有用降低了栅金属/p-GaN肖特基结的尖峰电场，于不影响其它机能如阈值电压、导通电阻等直流特征的环境下，制备出于10.6 V栅极驱动电压下具备10年事情靠得住性的常关型HEMT器件。本研究所提出的u-GaN/p-GaN布局能有用提高功率转换体系的靠得住性，相干事情以“p-GaN Gate HEMTs With 10.6 V Maximum Gate Drive Voltages by Mg Doping Engineering”为标题发表于IEEE TED杂志上[2]。南科年夜深港微电子学院与加拿年老伦比亚年夜学联培博士周广楠为文章第一作者，在洪宇传授为通信作者，南科年夜为第二通信单元，该事情也获得了加拿年老伦比亚年夜学夏光睿传授的撑持。

图2. A器件截面示用意和AFM表征成果; B威布尔图和器件利用寿命猜测;C为(a)25℃及(b) 150℃时，器件的栅极击穿特征; D VG-max及VTH的Benchmark。

InAlN/GaN 异质结上无金欧姆接触

基在InAlN/GaN异质布局的GaN器件依附高的二维电子气密度及较低的方块电阻，成为实现下一代低开关损耗、高功率密度、高开关速率电力电子器件的抱负质料。为实现高机能的InAlN/GaN器件，降低源漏欧姆接触电阻是其要害工艺之一，在洪宇课题组提出了一种基在Si/Ti5Al1/TiN布局的无金欧姆接触方案（图3A）。比拟在传统的有金欧姆接触工艺，该方案可有用兼容现有的Si基COMS工艺线，降低工艺成本及实现年夜尺寸。经优化退火温度，采用Si/Ti5Al1/TiN欧姆接触于InAlN/GaN异质结上实现了0.11 Ω·妹妹的超低欧姆接触电阻值，打破了InAlN/GaN异质结上合金欧姆接触的世界纪录（图3B），并可与采用再生长欧姆接触等更繁杂的进步前辈工艺效果相媲美。此外，使用透射电镜（TEM）等技能手腕深切阐发了其形成优秀欧姆接触的微不雅机理，提出了该欧姆接触布局的形成机理（图3C），该方案为InAlN/GaN异质结上欧姆接触工艺的研发提供了新思绪。相干结果以 Microscopic formation mechanism of Si/Ti5Al1/TiN ohmic contact on non-recessed i-InAlN/GaN heterostructures with ultra-low resistance 为标题已经发表于权势巨子期刊Applied Physics Letters (APL)上，南科年夜深港微电子学院拜候博士生蒋洋为本文第一作者，在洪宇传授及汪青研究副传授为配合通信作者，南科年夜为第一通信单元，该事情也获得了中国香港年夜学王中锐助理传授的撑持。

图3. InAlN/GaN异质结上无金欧姆接触。ATi5Al1/TiN及Si/Ti5Al1/TiN无金欧姆接触布局示用意和其TEM阐发成果; B I-V测试和欧姆接触成果拟合曲线; C 所提出的欧姆接触形成机理示用意。

双沟道异质结上p型欧姆接触

GaN p-FETs不良的导通能力及关断能力严峻限定了GaN CMOS逻辑或者功率集成电路的最年夜事情频率，开发高机能GaN p-FETs成为实现高机能GaN CMOS需要解决的首要问题。器件源、泄电极处金属/半导体界面形成的欧姆接触是器件与外部电路毗连的基础，其机能与器件输出源、泄电流、膝点电压、导通电阻、功率损耗和靠得住性等机能紧密亲密相干，是以低阻欧姆接触要害技能的开发也是晋升GaN p-FETs的器件机能的要害。在洪宇团队于GaN CMOS外延上开发出新型Mg/Pt/Au布局的p型欧姆接触，打破了GaN p-FETs和CMOS上p型欧姆接触制备坚苦的壁垒，比接触电阻率低至1.810-5Ω2，到达该外延上世界最低程度。此外，实现了原位去除了p-GaN外貌氧化层的技能，于得到超低电阻欧姆接触的同时消弭非原位外貌处置惩罚技能对于器件靠得住性的影响。研究成果显示Mg接触层的引入促成了Pt层形成Au扩散通道，从而促使Au向内扩散与p-GaN接触，同时界面处的Au引诱Ga向外扩散形成Au-Ga相，并于p-GaN外貌形成Ga空位提高空穴浓度，终极形成超低接触电阻率的欧姆接触。相干结果以 Ohmic Contact with a Contact Resistivity of 12 Ω·妹妹 on p-GaN/AlGaN/GaN 为标题已经发表于权势巨子期刊IEEE EDL上，南科年夜深港微电子学院与哈工年夜联培博士生唐楚滢为本文第一作者，在洪宇传授及汪青研究副传授为配合通信作者，南科年夜为第一通信单元，该事情也获得了复旦年夜学蒋玉龙传授的撑持。

图4. A外延信息和制备流程;BI-V特征与电流规模瓜葛及Rsh与温度瓜葛图;CI-V特征图;D样品TEM和外延EDX line 测试成果;E样品TEM和XPS测试成果;F Rc随退火温度变化瓜葛图和拟合提取电阻信息

在洪宇课题组先容

在洪宇传授于半导体器件物理和制造范畴累计发表学术论文440 余篇，此中SCI 论文200 余篇，包括IEDM、VLSI、EDL、APL等一流电子器件集会和期刊。总他引次数超5900次,H 影响因子46，单篇他引次数超100 次的文章总计 10 篇，申请/授权PCT专利 20 余项及海内专利 80 余项。插手南科年夜后，作为项目卖力人，负担科研项目经费超8700万元；作为重要卖力人，组建了深圳市第三代半导体器件重点试验室、广东省 GaN 器件工程技能中央、广东省三维集成工程研究中央及将来通讯集成电路教诲部工程研究中央；作为筹建人之一，乐成筹开国家第三代半导体技能立异中央（深圳分中央）及国度5G 中高频器件立异中央。并于南科年夜建成为了一个 1200平米的干净间，形成完备的 6 英寸 CMOS 工艺及测试线，硬件程度于华南地域到达领先程度。

相干研究论文列表：

[1] He, Jiaqi, Qing Wang, Guangnan Zhou, Wenmao Li, Yang Jiang, Zepeng Qiao, Chuying Tang, Gang Li*, and Hongyu Yu*. “Normally-OFF AlGaN/GaN MIS-HEMTs With Low RON and Vth Hysteresis by Functioning In-Situ SiNx in Regrowth Process.” IEEE electron device letters, 43, no. 4 (2022): 529–532.

[2] Guangnan Zhou, Fanming Zeng, Rongyu Gao, Qing Wang, Kai Cheng, Lingqi Li, Peng Xiang, Fangzhou Du, Guangrui Xia*, and Hongyu Yu*. “p-GaN Gate HEMTs With 10.6 V Maximum Gate Drive Voltages by Mg Doping Engineering.” IEEE Transactions on Electron Devices, 69, no. 5 (2022): 2282–2286, DOI: 10.1109/TED.2022.3157569

[3] Yang Jiang, FangZhou Du, JiaQi He, ZePeng Qiao, ChuYing Tang, XinYi Tang, ZhongRui Wang, Qing Wang*, HongYu Yu*.“Microscopic formation mechanism of Si/Ti5Al1/TiN ohmic contact on non-recessed i-InAlN/GaN heterostructures with ultra-low resistance.” Applied Physics Letters, 121, no. 21 (2022).

[4] Chu-Ying Tang, Hong-Hao Lu, Ze-Peng Qiao, Yang Jiang, Fang-Zhou Du, Jia-Qi He, Yu-Long Jiang*, Qing Wang*, and Hong-Yu Yu*.“Ohmic Contact with a Contact Resistivity of 12 Ω·妹妹 on p-GaN/AlGaN/GaN.” IEEE electron device letters, 43, no. 9 (2022): 1412–1415.