苏州纳米所孙钱团队在功率半導體器件簣D成电路领域国际顶级學術会议(32nd ISPSD)发表重要研究进展

  會議簡介:ISPSD(全稱爲:IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 功率半導體器件簣D成電路國際會議)是功率半導體器件簣D成電路領域在國際上最重要、影響力最強的頂級學術會議,它被認爲是功率半導體器件簣D成電路領域的奧林匹克會議,一直以來都是國內外半導體産業界龍頭企業(台積電、三星、松下,英飛淩,東芝等)全球知名學術科研機構(歐洲微電子中心、香港大學,香港科技大學,北京大學,電子科大,名古屋大學,多倫多大學等)爭相發表和展示功率半導體前沿技术重要成果的舞台。 

  氮化镓(GaN)作为一种宽禁带半導體,是第三代半導體的典型代表。与第一代半導體硅(Si)基的器件相比GaN器件由于具有更高耐壓更快的開關頻率,更小導通電阻等諸多優異的特性,使得其在功率電子器件領域可以得到廣泛的應用,從低功率段的消費電子領域,到中功率段的汽車電子領域,以及高功率段的工業電子領域均將有著極其重要的應用。根據國際權威調研機構Yole統計,GaN器件可以適用于68%的功率器件市場。同時在功率轉換電路中應用GaN器件可以消除整流器在進行交直流轉換時90%的能量損失,極大的提高能源利用效率,還可以使筆記本電源適配器體積最多縮小80%,极大地减小设备體積提高集成度 

   

  1. GaN HEMT 電力電子器件的應用 

  在實際的應用中,爲了實現失效安全的增強模式(E-mode)操作,人們廣泛研究了基于結構的MIS柵p-GaNregrowth柵增强型GaN HEMT器件在實際的器件制備過程中精確的控制柵极凹槽刻蝕深度以及減小凹槽界面密度将直接影响着器件的阈值电压均匀性和柵极可靠性,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時解决这两大问题 

   

  2. GaN HEMT 增強型器件技術路線及關鍵科學問題 

  基于以上研究背景及在科研界産業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器件制備技術及器件可靠性測試分析技術等核心技術上取得突破,相關論文先後發表于國際權威電子器件領域期刊IEEE Electron Device Letters vol. 40, no. 9, pp. 1495-1498, Sept. 2019ACS Applied Materials & Interfaces vol. 11, no. 24, pp. 21982-21987, May. 2019IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, doi: 10.1109/JESTPE.2020.3014372.上,且成功制備的器件阈值電壓達到~1.7 V@ IDS = 10 μA/mm,開關比達到5×1010,輸出電流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柵极凹槽深度高均匀性的精确控制及减小凹槽界面態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柵极凹槽制备,且凹槽深度均匀性大幅提高,同時柵极界面態密度减小1~2個數量級,達到 ~1011 eV-1·cm-2 ,爲研制高性能MIS及pGaN柵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導體器件簣D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.)。 

  會議期間,該工作引起了此次會議主席、GaN功率器件研究領域權威人物英飛淩公司首席技術官Oliver Haberlen博士的濃厚興趣和高度稱贊。此技術的開發不僅僅適用于GaN HEMT器件的制备,同時也适用于基于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簣D低的界面態密度,结合本团队已有p-GaN Regrowth器件制备技术將能夠極大提高制備器件的均勻性和可靠性,有望在器件大規模量産中大幅提高器件的生産良率。該技術已申請國家發明專利(201910388910.4),並將通過PCT國際專利(PCT/CN2019/130362)進入美國、加拿大、日本、德國等。 

     

   

   

  3. (a)MOCVD热分解实现高均匀性低界面態柵极凹槽結構的技术路线;(b)基于MOCVD熱分解制備的凹槽的表面形貌,熱分解自終止的驗證及片上均勻性統計;(c)利用變頻CV表征柵极界面態密度。 

  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員。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、中國科學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。 


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