【導讀】目前瑞士和中國的研究人員共同制造出具有五個III族氮化物半導體溝道能級的三柵極金屬氧化物半導體高電子遷移率晶體管，從而提高了靜電控制和驅動電流。
目前瑞士和中國的研究人員共同制造出具有五個III族氮化物半導體溝道能級的三柵極金屬氧化物半導體高電子遷移率晶體管，從而提高了靜電控制和驅動電流。
瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）和中國的Enkris半導體公司所制造的材料結構由5個平行層組成，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導電性。
圖1：（a）多溝道三柵AlGaN ／ GaN MOSHEMT的示意圖。（b）三柵區的橫截面示意圖。插圖：多通道異質結構。（c）等效電路。（d）三柵區域的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，傾斜52°。
在五個平行的薄二維電子氣（2DEG）通道上的霍爾測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。該團隊稱：“小的ρeff和高遷移率對于降低RON至關重要，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具有挑戰性。）”
通過電感耦合刻蝕實現了三柵極結構，深度為200nm。歐姆源極／漏極觸點由退火的鈦／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。
一個器件的柵極長度為51μm：50μm的鰭片長度＋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，對于寬鰭片來說，它對較深通道的控制是緩慢的。當寬度大于200nm時，跨導顯示出五個峰（每個通道一個峰 ）。峰值以40nm寬度合并。40nm器件顯示出－0．08V的小負閾值，改善了101mV ／十倍的亞閾值擺幅和29．5mS ／ mm的峰值跨導。
當然，減小鰭片寬度往往會降低導通狀態下的漏極電流。多個通道在一定程度上彌補了這一點。隨著單通道器件中鰭片寬度的減小，最大電流穩定下降，而對于五個通道，只有寬度小于200nm時才會出現明顯的影響。對于100nm寬的鰭片，單通道電流相對于平面柵極減少了41％； 5通道減少僅為12％。
研究人員解釋道，“多通道結構極大地減輕了三柵極（MOS）HEMT中的電子 － 電子和側壁散射。”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；而進一步阻力來自更多電子撞擊鰭片側壁。多通道結構則減少了單獨通道中的電子擁擠。
高壓MOSHEMT，其柵極漏極間距為10μm，鰭片為700nm長，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，總長度為2．5μm。
制造兩個具有相似尺寸的單通道參考器件：一個具有平面，另一個具有三柵極結構。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通電阻降低（圖2），與單通道三柵極基準相比，導通電阻幾乎為一半，最大漏極電流增加了三倍以上。通過器件寬度歸一化，多通道MOSHEMT的導通電阻為6．0Ω－mm，而單通道器件的導通電阻為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）時的輸出特性和（b）5V漏極偏置（VD）下的傳輸特性，通過器件占位寬度進行歸一化。（c）多通道三柵極晶體管的傳輸特性，在5V VD時具有20nm的鰭寬度和10％的填充因子。插圖：兩個鰭片長度（l）的閾值電壓（VTH，1μA／ mm電流）與鰭片寬度（w）。（d）用浮動基板測量的多通道三柵極晶體管的典型斷態擊穿特性。
該團隊稱：“這些結果表明多通道三柵極技術可以降低晶體管在給定器件占位面積上的傳導損耗，或者等效地在更小的器件占位面積內提供給定的電流額定值， 這對高效功率晶體管非常有益。“
與平面參考相比，多通道MOSHEMT的導通電阻降低了38％，最大漏電流增加了41％。與平面設置的100％相比，鰭片結構的填充系數為50％。
通過從平面基準移動到多通道鰭片MOSHEMT，閾值電壓變得更正（從－7．6V變為－3．6V）。多通道器件的峰值跨導也增加了2．4倍（從66．1mS ／ mm到156．6mS ／ mm）。多通道MOSHEMT的開／關電流比約為1010。
研究人員利用20nm的鰭片寬度（700nm長度）實現了0．82V的正閾值電壓，1μA／ mm。
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