近日，中科院寧波材料所郭煒研究員（第十批會員）在氮化鎵（GaN）電子器件的隔離特性研究中取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)充分利用纖鋅礦氮化物具有自發(fā)極化的特點(diǎn)，通過圖形化結(jié)晶層和二次外延的方式，得到了同時具有金屬極性和氮極性GaN的“雙極性結(jié)構(gòu)”。研究人員將金屬極性作為有源區(qū)，氮極性作為隔離區(qū)，實(shí)現(xiàn)了高電子遷移率晶體管（HEMT）器件之間的“自隔離”，有效避免了傳統(tǒng)隔離方法帶來的損傷，極大的降低了器件的隔離漏電流，為開發(fā)低功耗、高耐壓的GaN電子器件提供了新思路。 近年來，郭煒、葉繼春研究員團(tuán)隊(duì)利用極化工程對GaN、AlGaN的外延生長進(jìn)行了調(diào)控，并將雙極性結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用至新型高效紫外LED、紫外探測器的設(shè)計中(Adv. Funct. Mater., 28, 1802395 (2018), Opt. Lett., 46, 3203 (2021))。然而，領(lǐng)域內(nèi)尚無基于極性調(diào)控實(shí)現(xiàn)HEMT器件自隔離的相關(guān)報道。傳統(tǒng)的GaN HEMT器件隔離技術(shù)主要有臺面刻蝕以及離子注入。臺面刻蝕是利用等離子體刻蝕技術(shù)形成臺面結(jié)構(gòu)來達(dá)到器件隔離的效果，然而等離子體刻蝕會引入高損傷的表面態(tài)，造成表面漏電；其次柵極金屬與臺面?zhèn)缺谥苯酉噙B，會產(chǎn)生額外的柵漏通道。離子注入隔離被工業(yè)界所廣泛使用，雖然可以保持器件的平面結(jié)構(gòu)，但依然會造成閾值電壓漂移的問題并引入深能級缺陷。因此，開發(fā)一種低成本、低損傷、高可靠性的隔離技術(shù)對于發(fā)展低功耗高耐壓電子器件具有十分重大的意義。 針對以上問題，郭煒研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新型HEMT器件的隔離方法：金屬極性AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)可以誘導(dǎo)產(chǎn)生高濃度的二維電子氣(2DEG)，而氮極性區(qū)由于極化方向相反，異質(zhì)結(jié)溝道處的能帶會被有效的抬高，對2DEG產(chǎn)生耗盡效果并形成與buffer層材料禁帶寬度相匹配的勢壘，阻擋2DEG的橫向傳輸從而達(dá)到器件隔離效果。研究中發(fā)現(xiàn)，在隔離尺寸為3 μm條件下，兩端隔離漏電流低至3×10-14 A，該數(shù)值低于領(lǐng)域內(nèi)報道的臺面隔離及離子注入隔離水平1個數(shù)量級以上。兩端擊穿電壓為2628 V，與相同隔離區(qū)尺寸的臺面刻蝕相比高出1000V。由于采用了AlN buffer層，單個HEMT器件表現(xiàn)出優(yōu)秀的輸出和轉(zhuǎn)移特性，關(guān)態(tài)漏電流為2×10-11 A/mm，開關(guān)比>109，亞閾值斜率為61 mV/dec，接近GaN HEMT理論極限值60 mV/dec，成功證明了基于極性調(diào)控實(shí)現(xiàn)HEMT自隔離的優(yōu)越性以及應(yīng)用至高密度單片集成電路的廣闊前景。 相關(guān)研究成果以“Polarization modulation of 2DEG toward plasma-damage-free GaN HEMT isolation” 為題，發(fā)表在應(yīng)用物理權(quán)威期刊Applied physics letters中。寧波材料所博士研究生戴貽鈞為第一作者，郭煒研究員、葉繼春研究員為共同通訊作者。上述工作得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、國家自然科學(xué)基金、浙江省杰青等項(xiàng)目的資助。 
圖1，基于極性調(diào)控的HEMT器件隔離機(jī)制及兩端擊穿特性曲線 
圖2，自隔離HEMT器件表面layout圖(a,b)、輸出特性曲線(c)、轉(zhuǎn)移特性及柵極漏電流曲線(d)
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