近日，中科院宁波材料所郭炜研究员（第十批会员）在氮化镓（GaN）电子器件的隔离特性研究中取得进展。团队充分利用纤锌矿氮化物具有自发极化的特点，通过图形化结晶层和二次外延的方式，得到了同时具有金属极性和氮极性GaN的“双极性结构”。研究人员将金属极性作为有源区，氮极性作为隔离区，实现了高电子迁移率晶体管（HEMT）器件之间的“自隔离”，有效避免了传统隔离方法带来的损伤，极大的降低了器件的隔离漏电流，为开发低功耗、高耐压的GaN电子器件提供了新思路。

近年来，郭炜、叶继春研究员团队利用极化工程对GaN、AlGaN的外延生长进行了调控，并将双极性结构成功应用至新型高效紫外LED、紫外探测器的设计中(Adv. Funct. Mater., 28, 1802395 (2018), Opt. Lett., 46, 3203 (2021))。然而，领域内尚无基于极性调控实现HEMT器件自隔离的相关报道。传统的GaN HEMT器件隔离技术主要有台面刻蚀以及离子注入。台面刻蚀是利用等离子体刻蚀技术形成台面结构来达到器件隔离的效果，然而等离子体刻蚀会引入高损伤的表面态，造成表面漏电；其次栅极金属与台面侧壁直接相连，会产生额外的栅漏通道。离子注入隔离被工业界所广泛使用，虽然可以保持器件的平面结构，但依然会造成阈值电压漂移的问题并引入深能级缺陷。因此，开发一种低成本、低损伤、高可靠性的隔离技术对于发展低功耗高耐压电子器件具有十分重大的意义。

针对以上问题，郭炜研究员团队提出了一种新型HEMT器件的隔离方法：金属极性AlGaN/GaN异质结可以诱导产生高浓度的二维电子气(2DEG)，而氮极性区由于极化方向相反，异质结沟道处的能带会被有效的抬高，对2DEG产生耗尽效果并形成与buffer层材料禁带宽度相匹配的势垒，阻挡2DEG的横向传输从而达到器件隔离效果。研究中发现，在隔离尺寸为3 μm条件下，两端隔离漏电流低至3×10-14 A，该数值低于领域内报道的台面隔离及离子注入隔离水平1个数量级以上。两端击穿电压为2628 V，与相同隔离区尺寸的台面刻蚀相比高出1000V。由于采用了AlN buffer层，单个HEMT器件表现出优秀的输出和转移特性，关态漏电流为2×10-11 A/mm，开关比>109，亚阈值斜率为61 mV/dec，接近GaN HEMT理论极限值60 mV/dec，成功证明了基于极性调控实现HEMT自隔离的优越性以及应用至高密度单片集成电路的广阔前景。

相关研究成果以“Polarization modulation of 2DEG toward plasma-damage-free GaN HEMT isolation” 为题，发表在应用物理权威期刊Applied physics letters中。宁波材料所博士研究生戴贻钧为第一作者，郭炜研究员、叶继春研究员为共同通讯作者。上述工作得到中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金、浙江省杰青等项目的资助。

图1，基于极性调控的HEMT器件隔离机制及两端击穿特性曲线

图2，自隔离HEMT器件表面layout图(a,b)、输出特性曲线(c)、转移特性及栅极漏电流曲线(d)

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