国家工程中心突破：磁控溅射AlN层提升p-GaNHEMT性能

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近期，宽禁带半导体国家工程研究中心的郝跃院士和马晓华教授团队在氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）领域取得重大突破，成功开发出一种基于低温磁控溅射氮化铝（AlN）覆盖层的新型p-GaN HEMT器件。该研究成果发表在国际权威期刊《Applied Surface Science》上，通过创新性的AlN界面工程设计，显著提升了器件的栅极可靠性、动态性能与长期稳定性，为GaN功率器件的商业化应用提供了关键技术支撑。

近期，宽禁带半导体国家工程研究中心郝跃院士、马晓华教授团队在氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）领域取得重要突破，成功开发出一种基于低温磁控溅射氮化铝（AlN）覆盖层的新型p-GaN HEMT器件。该成果以“Improved p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs with magnetron-sputtered AlN cap layer”为题发表于国际权威期刊《Applied Surface Science》（中科院二区TOP期刊，影响因子6.3），第一作者为博士后贾茂，通讯作者为侯斌副教授、杨凌教授与马晓华教授。研究通过创新性的AlN界面工程设计，显著提升了器件的栅极可靠性、动态性能与长期稳定性，为GaN功率器件的商业化应用提供了关键技术支撑。

(a)栅极反向电流，(b)栅极正向漏电流随不同栅极面积的变化，

(c) AlN/p-GaN HEMT在不同温度下的栅漏特性。(d)溅射AlN/p-GaN二极管的PF图（log (J)/EAlN vs. 1000E0.5/T）。插图：从线性提取的PF斜率和截距PF图拟合。

(a)p-GaN层的XPS价带和n1s核能级谱；(b)AlN层的XPS价带和n1s核能级谱，(c)能带

零栅偏置时AlN/p-GaN hemt的门控区图和(d)AlN/p-GaN/AlGaN/GaN二极管的电容电压特性。

(a)脉冲转移特性测试原理图，(b)脉冲转移具有不同静态偏置的AlN/p-GaN HEMT的特性，(c)脉冲输出特性测试原理图和(d)具有不同静态偏置的AlN/p-GaN HEMT脉冲输出特性特性。

研究团队采用低温磁控溅射工艺在p-GaN栅极表面沉积AlN覆盖层，通过X射线光电子能谱（XPS）测试证实，AlN与p-GaN界面处形成的1.2 eV价带偏移能有效抑制栅极漏电流，改善界面质量。与传统钨肖特基栅极p-GaN HEMT（W/p-GaN HEMT）相比，新型AlN/p-GaN HEMT展现出以下关键性能提升：阈值电压优化，阈值电压（Vth）从0.61 V提升至0.82 V，器件开启特性更稳定；栅极可靠性突破，栅极正向击穿电压提升至17 V，工作电压范围从7 V扩展至12 V，栅极漏电流降低3个数量级（ID/IG从104优化至107）；界面电容-电压（C-V）迟滞效应显著减小，表明界面缺陷密度降低；导通电阻（Ron）较传统器件降低15.3%，有效减少了导通状态的能量损耗。

(a)tBD分布的威布尔图和(b)25℃下W/p GaN HEMTs的寿命预测。(c)tBD分布的威布尔图和(d)25℃时AlN/p-GaN HEMTs的寿命预预测。

研究团队进一步揭示了AlN/p-GaN HEMT的栅极泄漏机制，在中压范围内，泄漏电流主要由Poole-Frenkel（PF）发射主导。基于此模型推算，器件在室温下的十年寿命最大正向栅压（VG）可达6.8 V（失效概率63.2%），较传统W/p-GaN HEMT（5.4 V）提升26%。此外，AlN覆盖层通过调控金属/p-GaN肖特基接触的耗尽区，维持了GaN沟道的高效耗尽状态，使关态击穿电压进一步提升。

磁控溅射AlN工艺具有低温生长、成本低廉、工艺兼容性高等优势，可无缝对接现有GaN器件产线。研究团队指出，该技术有望加速p-GaN HEMT在高压快充、新能源汽车电驱系统、数据中心电源等高频高功率场景的规模化应用。本次研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持，相关技术已申请多项发明专利。

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