GaN基高電子遷移率晶體管研究進展

任艦

摘 要：由于氮化鎵（GaN）材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強、飽和電子漂移速度高等優(yōu)異的物理特性，GaN基功率電子器件逐漸取代硅基電子器件在高溫、高壓與高頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，由GaN及其合金材料制備的高電子遷移率晶體管（HEMT）是電力電子、無線通信和雷達等領(lǐng)域的核心器件。除此之外，利用GaN基HEMT可制備高靈敏度的檢測器件，在生物和光電檢測領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。但是，盡管GaN基HEMT的性能正不斷取得突破，該器件的規(guī)模化應(yīng)用仍受到電學(xué)可靠性問題的限制，本文重點闡述了GaN基HEMT的研究進展以及存在的電學(xué)可靠性問題。

關(guān)鍵詞：GaN 高電子遷移率晶體管 可靠性

中圖分類號：TP211 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（c）-0014-03

隨著世界經(jīng)濟的快速增長，能源被快速消耗。2005年，美國電子工業(yè)協(xié)會能源損耗調(diào)查指出，電能的有效使用率僅有約50%，因此提高電能轉(zhuǎn)化效率對改善人類生存環(huán)境具有重要意義。電力電子功率器件是新能源技術(shù)和高效電源管理方案的核心器件，該器件有助于提高電能轉(zhuǎn)化效率，然而傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體電力電子器件的性能已經(jīng)接近極限，摩爾定律或?qū)⑹?，進一步提高器件的性能需要付出巨大的成本，因此，推動了新型材料電力電子功率器件的研究和發(fā)展刻不容緩。近十幾年，以氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶III族氮化物半導(dǎo)體被認為是制備功率器件最理想的材料之一。與同樣適合功率器件的SiC材料相比，寬禁帶III族氮化物具有以下優(yōu)勢：允許研究者根據(jù)極化工程概念設(shè)計異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新型器件；更大的Baliga優(yōu)值系數(shù)，綜合性能更適合功率器件。

1 GaN基HEMT的發(fā)展過程

由GaN及其合金材料AlGaN可形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，由于顯著的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，在無偏壓條件下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處便可誘導(dǎo)出高密度的二維電子氣（2DEG），使AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管（HEMT）具有導(dǎo)通電阻低、擊穿電壓大、輸出功率高和無益損耗小的特點。例如：對于一個100W功率輸出要求的移動通信基站，采用單個GaN HEMT器件就可以提供所需的輸出功率，不僅減小了集成模塊的尺寸而且提高了轉(zhuǎn)換效率。

1992年，Khan等人[1]使用金屬有機氣相化學(xué)沉積法（MOCVD）首次制備了AlGaN/GaN HEMT，伴隨著器件制備工藝的不斷提高，包括最大頻率（fmax）、截止頻率（fT）和最大輸出功率在內(nèi)的幾個主要技術(shù)指標(biāo)不斷提高。Shinohare等人[2]制備的AlGaN/GaN HEMT，fT和fmax分別達到220GHz和400GHz，輸出功率密度接近30W/mm。但是，當(dāng)GaNHEMT長時間工作在大信號模式下時，逆壓電效應(yīng)很容易在勢壘誘發(fā)新的電學(xué)缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致柵極反向泄漏電流增大使器件性能發(fā)生退化。目前，最有效的一種解決方法是在GaN外延襯底上直接生長與之晶格匹配的In組分為0.17時InAlN勢壘層，此時InAlN勢壘層內(nèi)沒有壓電極化而只有自發(fā)極化，且相對于傳統(tǒng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，極化強度的總體效果更強，即便在更薄的勢壘層厚度下依然能得到2.6×1013cm-2的2DEG濃度和低于220Ω/sq的導(dǎo)通電阻?；谝陨媳尘?，近幾年晶格匹配晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT器件也逐漸成為國際研究熱點。

1998年，Kariya等人[3]成功制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT，但由于InAIN的外延生長質(zhì)量較差，與AlGaN/GaN HEMT相比，晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT性能有待提高。直至2012年，Denninghoff等人[4]在使用MOCVD在藍寶石襯底上制作了晶格匹配In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件，其fmax高達400GHz，Yue等人[5]在SiC襯底上制作的晶格匹配In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件，其跨導(dǎo)已達到650mS/mm，fT則高達370GHz，創(chuàng)造了新的記錄。

2 GaN基HEMT面臨的挑戰(zhàn)

盡管GaN基HEMT的性能正在不斷取得突破，但是規(guī)?；瘧?yīng)用仍受到多種問題的制約。首先，由于工藝復(fù)雜，外延材料價格較高，器件價格昂貴，一般在價格昂貴的高科技產(chǎn)品中使用。其次，GaN基HEMT中存在多種可靠性問題，尤其不可回避的是電應(yīng)力退化問題。電應(yīng)力退化指的是器件持續(xù)工作過程中，性能出現(xiàn)惡化，退化可分為可逆和不可逆，前者稱為電流崩塌現(xiàn)象，而后者又通常與電流崩塌現(xiàn)象常同時或先后出現(xiàn)。1994年，Khan等人[6]首次報道了AlGaN/GaN HEMT的電流崩塌現(xiàn)象。1999年，Klein等人[7]指出禁帶中的陷阱態(tài)是引起AlGaN/GaN HEMT電流崩塌的主要原因。2001年，Vetury等人[8]提出“虛柵”模型，該模型比較成功地解釋了電流崩塌的物理機制。隨后，通過表面鈍化技術(shù)和場板技術(shù)有效地抑制了電流崩塌現(xiàn)象。

對于不可逆的電應(yīng)力退化現(xiàn)象的研究也越來越多，2008年，Joh等人[9]通過步進應(yīng)力實驗，觀察到GaN基HEMT在工作電壓高于某個臨界電壓后發(fā)生柵電流發(fā)生明顯退化。2010年，Meneghini等人[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)即使在較小的電壓下，只要持續(xù)時間足夠長，該不可逆退化行為也會發(fā)生。2011年，Chang等人[11]提出了器件退化的電場機制。2015年，Meneghini等人[12]指出應(yīng)力產(chǎn)生的缺陷主要為勢壘層的施主態(tài)缺陷。除上述報道外，還有一些學(xué)者提出多種不同的退化機制[13]。但是該問題仍未被有效地解決。除此之外，雖然很多學(xué)者致力于GaN基HEMT可靠性問題的研究，但是由于GaN材料內(nèi)部缺陷非常復(fù)雜，仍存在一些未發(fā)現(xiàn)、未解決的問題需要深入探索。

3 結(jié)語

總體來看，GaN基HEMT較傳統(tǒng)硅基器件性能更優(yōu)越，適合應(yīng)用于高頻大功率等領(lǐng)域。但是，其商業(yè)化應(yīng)用仍受到諸多可靠性問題的困擾。對于已發(fā)現(xiàn)問題，需要進一步研究，而對于暫未發(fā)現(xiàn)的其他可靠性問題，也需要不斷進行探尋。

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