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目前瑞士和中國(guó)的研究人員共同制造出具有五個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體溝道能級(jí)的三柵極金屬氧化物半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管，從而提高了靜電控制和驅(qū)動(dòng)電流。

 

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和中國(guó)的Enkris半導(dǎo)體公司所制造的材料結(jié)構(gòu)由5個(gè)平行層組成，包括10nm氮化鋁鎵（AlGaN）阻擋層，1nm AlN間隔層和10nm GaN溝道（圖1）。其中阻擋層是以5x1018／cm3的部分水平摻雜硅以增強(qiáng)導(dǎo)電性。

 

 

 

圖1：（a）多溝道三柵AlGaN ／ GaN MOSHEMT的示意圖。（b）三柵區(qū)的橫截面示意圖。插圖：多通道異質(zhì)結(jié)構(gòu)。（c）等效電路。（d）三柵區(qū)域的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，傾斜52°。

 

在五個(gè)平行的薄二維電子氣（2DEG）通道上的霍爾測(cè)量給出了薄層電阻為230Ω／平方，具有1．5x1013／cm2的載流子密度和1820cm2／V－s遷移率（μ）。有效電阻率（ρeff）為2．4mΩ－cm，但總厚度（ttot）較小。該團(tuán)隊(duì)稱：“小的ρeff和高遷移率對(duì)于降低RON至關(guān)重要，總厚度較薄，有助于靜電柵極控制和器件制造（高縱橫比鰭片的刻蝕以及在它們周圍形成電極可能會(huì)具有挑戰(zhàn)性。）”

 

通過(guò)電感耦合刻蝕實(shí)現(xiàn)了三柵極結(jié)構(gòu)，深度為200nm。歐姆源極／漏極觸點(diǎn)由退火的鈦／鋁／鈦／鎳／金組成。柵極堆疊是25nm原子層沉積（ALD）二氧化硅絕緣體和鎳／金電極。

 

一個(gè)器件的柵極長(zhǎng)度為51μm：50μm的鰭片長(zhǎng)度＋2x0．5μm的源極和漏極延伸。而通道電流的控制受到鰭片寬度的影響。特別是，對(duì)于寬鰭片來(lái)說(shuō)，它對(duì)較深通道的控制是緩慢的。當(dāng)寬度大于200nm時(shí)，跨導(dǎo)顯示出五個(gè)峰（每個(gè)通道一個(gè)峰 ）。峰值以40nm寬度合并。40nm器件顯示出－0．08V的小負(fù)閾值，改善了101mV ／十倍的亞閾值擺幅和29．5mS ／ mm的峰值跨導(dǎo)。

 

當(dāng)然，減小鰭片寬度往往會(huì)降低導(dǎo)通狀態(tài)下的漏極電流。多個(gè)通道在一定程度上彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。隨著單通道器件中鰭片寬度的減小，最大電流穩(wěn)定下降，而對(duì)于五個(gè)通道，只有寬度小于200nm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)明顯的影響。對(duì)于100nm寬的鰭片，單通道電流相對(duì)于平面柵極減少了41％； 5通道減少僅為12％。

 

研究人員解釋道，“多通道結(jié)構(gòu)極大地減輕了三柵極（MOS）HEMT中的電子 － 電子和側(cè)壁散射。”單通道器件中的電子緊密堆積，增加了電子 － 電子碰撞的速率，從而增加了電阻；而進(jìn)一步阻力來(lái)自更多電子撞擊鰭片側(cè)壁。多通道結(jié)構(gòu)則減少了單獨(dú)通道中的電子擁擠。

 

高壓MOSHEMT，其柵極漏極間距為10μm，鰭片為700nm長(zhǎng)，100nm寬，鰭片之間的間距為100nm，填充因子為50％。柵極金屬向源極延伸0．5μm，在漏極方向延伸1．3μm，總長(zhǎng)度為2．5μm。

 

制造兩個(gè)具有相似尺寸的單通道參考器件：一個(gè)具有平面，另一個(gè)具有三柵極結(jié)構(gòu)。這些參考器件中的阻擋層是GaN溝道上典型的20nm Al0．25Ga0．75N 。

 

多通道三柵極器件的導(dǎo)通電阻降低（圖2），與單通道三柵極基準(zhǔn)相比，導(dǎo)通電阻幾乎為一半，最大漏極電流增加了三倍以上。通過(guò)器件寬度歸一化，多通道MOSHEMT的導(dǎo)通電阻為6．0Ω－mm，而單通道器件的導(dǎo)通電阻為11．2Ω－mm。多通道和單通道最大漏極電流分別為797mA ／ mm和252mA ／ mm。

 

 

 

圖2：（a）5V柵極電位（VG）時(shí)的輸出特性和（b）5V漏極偏置（VD）下的傳輸特性，通過(guò)器件占位寬度進(jìn)行歸一化。（c）多通道三柵極晶體管的傳輸特性，在5V VD時(shí)具有20nm的鰭寬度和10％的填充因子。插圖：兩個(gè)鰭片長(zhǎng)度（l）的閾值電壓（VTH，1μA／ mm電流）與鰭片寬度（w）。（d）用浮動(dòng)基板測(cè)量的多通道三柵極晶體管的典型斷態(tài)擊穿特性。

 

該團(tuán)隊(duì)稱：“這些結(jié)果表明多通道三柵極技術(shù)可以降低晶體管在給定器件占位面積上的傳導(dǎo)損耗，或者等效地在更小的器件占位面積內(nèi)提供給定的電流額定值， 這對(duì)高效功率晶體管非常有益。“

 

與平面參考相比，多通道MOSHEMT的導(dǎo)通電阻降低了38％，最大漏電流增加了41％。與平面設(shè)置的100％相比，鰭片結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)為50％。

 

通過(guò)從平面基準(zhǔn)移動(dòng)到多通道鰭片MOSHEMT，閾值電壓變得更正（從－7．6V變?yōu)椋?．6V）。多通道器件的峰值跨導(dǎo)也增加了2．4倍（從66．1mS ／ mm到156．6mS ／ mm）。多通道MOSHEMT的開／關(guān)電流比約為1010。

 

研究人員利用20nm的鰭片寬度（700nm長(zhǎng)度）實(shí)現(xiàn)了0．82V的正閾值電壓，1μA／ mm。