重大突破

　　会议简介：ISPSD（全称为：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs， 功率半导体器件和集成电路国际会议）是功率半导体器件和集成电路领域在国际上最重要、影响力最强的顶级学术会议，它被认为是功率半导体器件和集成电路领域的奥林匹克会议，一直以来都是国内外半导体产业界龙头企业（台积电、三星、松下，英飞凌，东芝等）和全球知名学术科研机构（欧洲微电子中心、香港大学，香港科技大学，北京大学，电子科大，名古屋大学，多伦多大学等）争相发表和展示功率半导体前沿技术重要成果的舞台。 

　　氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体，是第三代半导体的典型代表。与第一代半导体硅（Si）基的器件相比，GaN器件由于具有更高耐压，更快的开关频率，更小导通电阻等诸多优异的特性，使得其在功率电子器件领域可以得到广泛的应用，从低功率段的消费电子领域，到中功率段的汽车电子领域，以及高功率段的工业电子领域均将有着极其重要的应用。根据国际权威调研机构Yole统计，GaN器件可以适用于68%的功率器件市场。同时，在功率转换电路中应用GaN器件可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失，极大的提高能源利用效率，还可以使笔记本等电源适配器的体积最多缩小80%，极大地减小设备体积提高集成度。 

　　图1. GaN HEMT 电力电子器件的应用 

　　在实际的应用中，为了实现失效安全的增强模式（E-mode）操作，人们广泛研究了基于凹槽栅结构的MIS栅和p-GaNregrowth栅增强型GaN HEMT器件。在实际的器件制备过程中精确的控制栅极凹槽刻蚀深度以及减小凹槽界面态密度将直接影响着器件的阈值电压均匀性和栅极可靠性，尤其是在大规模量产中会直接影响器件的量产良率。然而，到目前为止，利用现有技术手段无法同时解决这两大问题。 

　　图2. GaN HEMT 增强型器件技术路线及关键科学问题 

　　基于以上研究背景及在科研界产业界亟待解决的关键问题基础上，在中科院苏州纳米所孙钱研究团队在读博士研究生生苏帅和钟耀宗及其他团队成员的合作攻关下，经过近三年时间的不懈努力，继先后在p-GaN Regrowth器件制备技术及器件可靠性测试分析技术等核心技术上取得突破，相关论文先后发表于国际权威电子器件领域期刊IEEE Electron Device Letters vol. 40, no. 9, pp. 1495-1498, Sept. 2019，ACS Applied Materials & Interfaces vol. 11, no. 24, pp. 21982-21987, May. 2019，IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, doi: 10.1109/JESTPE.2020.3014372.上，且成功制备的器件阈值电压达到~1.7 V@ I_DS = 10 μA/mm，开关比达到5×10¹⁰，输出电流400mA/mm以上，器件综合性能达到国际一流水平。在上述研究工作基础上，团队又于近期在将外延技术与器件加工工艺紧密结合基础上，利用创新型的技术手段在栅极凹槽深度高均匀性的精确控制及减小凹槽界面态密度方面取得重要进展，利用自主创新的MOCVD热分解自终止技术手段实现了精确可控的栅极凹槽制备，且凹槽深度均匀性大幅提高，同时栅极界面态密度减小1~2个数量级，达到 ~10¹¹ eV^-1·cm^-2 ，为研制高性能MIS及pGaN栅极增强型器件的研发及量产奠定了基础。该工作已发表于第三十二届功率半导体器件和集成电路国际会议（Shuai Su, Yaozong Zhong, et al., "Self-terminated Gate Recessing with a Low Density of Interface States and High Uniformity for Enhancement-mode GaN HEMTs," 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Vienna, Austria, 2020, pp. 333-336, doi: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170199.）。 

　　会议期间，该工作引起了此次会议主席、GaN功率器件研究领域权威人物英飞凌公司首席技术官Oliver H？berlen博士的浓厚兴趣和高度称赞。此技术的开发不仅仅适用于GaN HEMT器件的制备，同时也适用于基于GaN材料体系的其他器件的制备，以便获得高度均匀的凹槽深度和极低的界面态密度，结合本团队已有p-GaN Regrowth器件制备技术将能够极大提高制备器件的均匀性和可靠性，有望在器件大规模量产中大幅提高器件的生产良率。该技术已申请国家发明专利（201910388910.4），并将通过PCT国际专利（PCT/CN2019/130362）进入美国、加拿大、日本、德国等。 

　　图3. (a)MOCVD热分解实现高均匀性低界面态栅极凹槽结构的技术路线；(b)基于MOCVD热分解制备的凹槽的表面形貌，热分解自终止的验证及片上均匀性统计；(c)利用变频CV表征栅极界面态密度。 

　　上述相关工作的主要作者为中科院苏州纳米所在读博士研究生苏帅和钟耀宗，通讯作者为孙钱研究员和周宇副研究员。上述工作得到了国家自然科学重点基金项目、国家重点研发计划课题、中国科学院重点前沿科学研究计划、江苏省重点研发计划项目等资助。