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硅基氮化鎵 E型MOSc-HEMT的演示。TEM橫截面顯示了角落處全凹槽MOS柵極的輪廓。柵長(zhǎng)設(shè)置為1um。

IEDM 2020上的研究論文展示了該研究所如何克服嵌入MOS柵極的GaN器件在結(jié)構(gòu)和性能方面的挑戰(zhàn)。

CEA-Leti的兩份補(bǔ)充研究論文證實(shí)，該研究所的GaN技術(shù)方法正在克服嵌入在MOS柵極中的先進(jìn)GaN器件的結(jié)構(gòu)和性能挑戰(zhàn)，并且旨在迅速發(fā)展的全球功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)市場(chǎng)。

在IEDM 2020上發(fā)表的論文中，科學(xué)家們?cè)斒隽嘶贕aN-on-Si的HEMT（稱為GaN-on-Si HEMT）變體的實(shí)驗(yàn)。與硅相比，基于GaN的半導(dǎo)體可以改善日益緊湊的功率轉(zhuǎn)換器的性能和可靠性，并且AIGaN / GaN HEMT具有高功率和低噪聲特性的，其在高頻應(yīng)用中已顯示出有替代基于Si或SiC的功率轉(zhuǎn)換解決方案的潛力。因此，對(duì)于許多終端用戶應(yīng)用，從智能手機(jī)到廚房電器和電動(dòng)汽車，從電池裝載器到DC / DC或AC / DC轉(zhuǎn)換器，這種技術(shù)有望成為一種高性價(jià)比的功率轉(zhuǎn)換解決方案。

綜合來(lái)看，這兩篇論文為CEA-Leti在IRT Nanoelec框架下開(kāi)發(fā)的GaN MOS-c HEMT的柵極堆棧提供了新的理解。它們展示了GaN MOS堆棧表征的復(fù)雜性，以及報(bào)告和分析可靠參數(shù)值對(duì)深厚專業(yè)知識(shí)的要求。這些論文中提出的工作也將有助于解決GaN器件中產(chǎn)生的有害效應(yīng)以提高可靠性，這是CEA-Leti在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移過(guò)程中的主要任務(wù)之一。

論文《硅基氮化鎵 E型MOSc-HEMT中與碳相關(guān)的pBTI退化機(jī)制》 研究了晶體管柵極正偏壓時(shí)發(fā)生的正偏壓溫度不穩(wěn)定性(pBTI)效應(yīng)背后的物理學(xué)原理，以確定這種效應(yīng)的根本原因，并將其最小化。

“我們證明，在正柵極應(yīng)力下，電壓閾值（Vth）的不穩(wěn)定性是由兩類陷阱引起的。”該論文的作者Aby-GaëlViey說(shuō)，“第一個(gè)與柵極氧化物的缺陷有關(guān)，這是一種已知的效應(yīng)，第二種與柵極界面GaN中氮位的碳原子存在有關(guān)，這是一個(gè)發(fā)現(xiàn)，因此證實(shí)了IEDM上提出的結(jié)論。”

一般來(lái)說(shuō)，在以BTI為常見(jiàn)可靠性測(cè)試的MOS技術(shù)（例如基于Si / SiGe / Ge的CMOS技術(shù)）中，Vth不穩(wěn)定性的根本原因與氧化物缺陷有關(guān)，這些缺陷可由電子或空穴帶電或放電，這取決于器件類型（n/p-MOS）和偏置極性。就GaN MOS-c HEMT而言，晶體管下方生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且很不均勻。

這項(xiàng)研究也證實(shí)了CEA-Leti在2019年IEDM論文中報(bào)告的工作結(jié)論，即GaN-in-N[CN]中的碳，通常作為深能級(jí)受主引入，以產(chǎn)生用于擊穿-電壓管理的半絕緣GaN層，它與常見(jiàn)的氧化物陷阱充電一起造成一部分BTI不穩(wěn)定性。因此，外延結(jié)構(gòu)是減少和降低GaN功率器件不穩(wěn)定性的重要關(guān)鍵點(diǎn)。

"此外，我們最近的工作表明，可以非常精確地模擬和預(yù)測(cè)這些閾值電壓不穩(wěn)定性，"Viey補(bǔ)充道，"事實(shí)上，已知的捕獲發(fā)射時(shí)間(CET)圖模型被用來(lái)確認(rèn)兩類陷阱的存在，并預(yù)測(cè)在一定的柵極/溫度應(yīng)力條件下的pBTI退化(Vth 漂移)。"

論文《對(duì)硅基氮化鎵MOS-c HEMT界面陷阱密度（Dit）抽取之新穎見(jiàn)解》旨在研究表征氧化物/ GaN界面的電學(xué)質(zhì)量，以了解CEA-Leti柵極堆棧的界面陷阱密度是否是硅基氮化鎵MOS-c HEMT主要的閾值電壓（Vth）貢獻(xiàn)者，并證實(shí)了該所歷經(jīng)十年研發(fā)的解決方案的性能。

界面陷阱密度抽取提取了在氧化物/半導(dǎo)體界面上具有電活性的界面缺陷的密度，以及其在其能量方面隨半導(dǎo)體帶隙的分布。它之所以重要，是因?yàn)閂th直接關(guān)系到半導(dǎo)體的金屬柵極功函數(shù)和摻雜等物理參數(shù)，這些參數(shù)很容易調(diào)整，還關(guān)系到一些缺陷相關(guān)的參數(shù)，如氧化物中的固定電荷或移動(dòng)電荷以及界面態(tài)密度。如果界面沒(méi)有經(jīng)過(guò)正確的鈍化和處理，這種密度會(huì)極大地影響Vth。

就GaN MOS-c HEMT而言，該平臺(tái)還消除了對(duì)有源精密光纖的需求。在氧化物沉積之前對(duì)GaN進(jìn)行干法刻蝕，這種積極的工藝步驟會(huì)對(duì)未來(lái)的氧化物/GaN界面產(chǎn)生巨大的影響。因此，開(kāi)發(fā)和優(yōu)化基于MOS的GaN功率器件需要具有準(zhǔn)確可靠的界面表征技術(shù)。“對(duì)于其他行業(yè)或研究人員來(lái)說(shuō)，這種方法將有助于評(píng)估界面密度。”論文作者William Vandendaele說(shuō)。

Vandendaele表示，CEA-Leti研究人員的下一步工作是擴(kuò)大團(tuán)隊(duì)對(duì)GaN MOSc HEMT的柵堆棧優(yōu)化的理解，以最大程度地降低Dit值，并將最佳的產(chǎn)品、工藝和表征方法轉(zhuǎn)讓給該研究所在IRT PowerGan的工業(yè)合作伙伴。

CEA-Leti將繼續(xù)推進(jìn)其GaN路線圖，進(jìn)一步研究外延、器件、無(wú)源元件、共集成和系統(tǒng)架構(gòu)，以開(kāi)發(fā)出一種GaN技術(shù)，使開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫，功率密度達(dá)到硅的十倍--所有這些都采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，以降低成本。