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宽禁带研究中心

宽禁带(WBG)半导体是指其禁带宽度大于传统的SiGaAs等材料的一类半导体,由于具有高电子饱和速度、高击穿电压和耐高温等优点,近十年来以III族氮化物为代表的宽禁带半导体材料和器件发展迅猛,对信息科学技术的发展起了巨大的推动作用,也被称为继SiGaAs之后的第三代半导体。

宽禁带半导体(WBGS)研究中心成立于2004年,是国内较早开展GaN器件研究的单位之一。先后承担了多项国家级重点研究项目,在GaNHEMT器件结构设计、工艺、物理模型和射频电路等方面取得系列成果。宽禁带半导体器件研究正成为北大微电子学科的一个新的重要发展方向。

研究所同时开展基于高阻本征硅的辐射探测器的研究工作,开发的产品具有灵敏度高,稳定性好等优点,已经应用于多个国家重大工程。

宽禁带研究中心现有研究人员7名,其中教授3人,副教授3人,讲师1人。近年来,宽禁带研究中心承担或者参与了多个国家重大专项,国家自然科学基金、预研、地方及部委科研项目。每年招收博士生1-2人,硕士生4-6人。

主要研究方向包括:

1. GaN微波功率器件新结构、新工艺和理论模型

2. GaN电力电子功率开关器件

3. GaN HEMT器件可靠性物理

4. 高阻本征硅PIN高能粒子辐射探测器

5. 空间微尘粒子探测器

宽禁带研究中心工作主要集中于器件新机理、新结构及工艺技术等方面,平均每年在电子器件领域的顶级期刊IEEE Electron Device Letters, IEEE Transactions on Electron Devices上发表论文4-5篇;多篇论文在氮化物相关的国际会议,如ICNSIWNISPSD上报道。欢迎对宽禁带半导体电子器件及探测器感兴趣的学生和研究人员加入我们,共同进步。

代表性研究成果

u GaN HEMT器件新结构、新工艺、理论建模

1. 基于多层Ti/Al的欧姆接触结构

提出基于多层Ti/AlTi/Al/Ni/Au的欧姆合金结构,实验表明可有效抑制金属侧流现象,提高欧姆合金表面形貌,提高器件微波性能;显著增强欧姆接触的耐高温和大电流密度的能力,提高可靠性水平。


新欧姆合金结构具有明显的耐高温和抗沉降作用

2. 针对AlGaN/GaN异质结材料的热氧化辅助自停止湿法腐蚀工艺

提出GaN基材料氧化辅助湿法腐蚀技术,首次实现了AlGaN/GaN异质结材料自停止湿法腐蚀。

湿法腐蚀后台阶结构AFM测试形貌和腐蚀深度、表面粗糙度随氧化时间变化曲线

u GaN基电子器件

3. GaN微波功率器件

开发出基于TiO2/NiO栅介质的亚微米栅脚AlGaN/GaN MOSHEMT3V栅压下栅漏电小于1nA/mm,最大输出电流709mA/mm0.4mm栅脚器件fT21GHzfMAX接近40GHz

亚微米栅脚AlGaN/GaN MOSHEMT器件版图和微波测试结果

4. 增强型GaN Hybrid功率开关器件

利用基于湿法腐蚀的数字化刻蚀技术制备出高性能SiGaN增强型MOSFET9V栅压下输出电流接近600mA/mm,栅漏电小于10-6 mA/mm10mm栅漏间距器件在1mA/mm击穿电流阈值、0V栅压下达967V,比导通电阻为1.6 mٞcm2,功率因素(BV2/RON,SP)高达584 MW/cm2

增强型GaN MOSHEMT器件结构和功率开关特性

5. 耐高温GaNE/D反相器及环形振荡器

采用热氧化辅助湿法腐蚀技术制备出Al2O3栅介质MOSHEMT器件,实验结果表明该器件在300oC依然可正常工作,逻辑电压摆幅可达6.5V,且器件特性随温度波动很小,非常适合于高温应用


GaNE/D反相器结构示意图和不同温度下反相器特性曲线

u GaN HEMT器件可靠性研究

6. GaN基异质结欧姆接触突起机制

针对Ti/Al/Ni/Au合金结构的表面存在着颗粒状的突起,通过扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜的分析,基于合金相图,确定表面突起的物理机制:由Al-Au合金包裹着大团的Ni-Al合金团


Ti/Al/Ni/Au欧姆接触合金结构颗粒状突起处的TEM及各元素EDX扫描曲线

7. GaN基异质结欧姆接触可靠性机制


通过透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDX)分析,发现三种GaN基异质结欧姆接触高温老化退化机制:合金空洞;Ga析出;Al-Au沉降到金属/半导体界面导致势垒增加


欧姆接触600 ℃老化24h之后剖面形貌(STEM)和相应的沿图中箭头方向的EDX线扫描

u 硅基辐射探测器

8. 高灵敏硅PIN辐射探测器

开发了大面积硅PIN辐射探测器,厚度3004501000微米,探测器直径达到12mm,噪声<25 keV;开发了大面积超薄硅PIN辐射探测器,厚度50~100微米,大面积探测器直径达到12mm,厚度不均匀性<1%,击穿电压>100V,噪声<25 keV。探测器装配于目前多颗在轨卫星上,用于空间辐射环境探测。


(a)                               (b)                                                  (c)

11 (a)探测器封装照片(b)直径12毫米厚度100微米探测器芯片照片

(c) 直径12毫米厚度100微米探测器反向漏电性能

研究所导师信息:

吴文刚教授wuwg@pku.edu.cn

王金延教授:wangjinyan@pku.edu.cn

于民副教授yum@pku.edu.cn

王茂俊副教授mjwang@pku.edu.cn

周劲副教授:zhoujing@ime.pku.edu.cn