抗高壓動態(tài)導通電阻退化的高性能GaN功率開關器件研究

覃 孟，潘革生

（1.北海職業(yè)學院機電工程系，北海 536000；2.南寧師范大學計算機與信息工程學院，南寧 530001）

隨著社會進步和科技發(fā)展，工業(yè)和民用生產(chǎn)領域已廣泛應用功率開關器件。近年來主要是用Si材料制備功率開關器件，但隨著工藝的不斷提升，材料的極限值和Si 功率開關器件性能幾乎一致，導致目前的Si 功率開關器件無法滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域需求[1]。對比Si 功率開關器件發(fā)現(xiàn)，GaN 功率開關器件具有較多優(yōu)點，例如較低的導通電阻、較高的擊穿電壓等，能高效提升功率開關的轉換效率，減少功率開關器件的耗損情況[2]。

目前GaN 功率開關器件主要有異質(zhì)結場效應晶體管和增強型金屬-絕緣體-半導體電子遷移率晶體管兩種結構[3]。目前高性能GaN 功率開關器件性能得到明顯改善，但仍存在問題，導致實際電源轉換裝置和推廣系統(tǒng)的應用較為困難[4]，其中影響最大的問題是GaN 緩沖層深能級陷阱和鈍化介質(zhì)間界面態(tài)，該問題將導致動態(tài)導通電阻退化和高場電流坍塌。

針對上述問題，本文提出抗高壓動態(tài)導通電阻退化的高性能GaN 功率開關器件研究，采用極值性PEALD-AlN 鈍化和高溫LPCVD-SiNx鈍化方法，有效降低界面態(tài)導致的高壓電流坍塌情況的出現(xiàn)幾率。同時在GaN 功率開關器件電極附近注入磷離子，增強GaN 功率開關器件抗動態(tài)導通電阻退化的能力。

1 高性能GaN 功率開關器件研究

1.1 高壓電流坍塌機理與抑制

由于氮化物本身出現(xiàn)的自發(fā)反應和應變過程中出現(xiàn)的壓電極化，導致異質(zhì)結界面出現(xiàn)高密度的2DEG，使GaN 功率開關器件出現(xiàn)表面態(tài)現(xiàn)象。高壓偏置GaN 功率開關器件關態(tài)后，在柵邊緣高場作用下，容易使柵極漏電電子穿到AlGaN 勢壘層表面態(tài)上，耗盡溝道中的2DEG，溝道處于柵漏之間。在開啟GaN 功率開關器件時，不能及時釋放從表面獲取的電子，導致不能實時恢復2DEG，產(chǎn)生電流坍塌效應。

電流坍塌主要是由GaN 功率開關器件表面態(tài)放電速度緩慢造成的，為減少電流坍塌效應，達到鈍化深層表面態(tài)的目的，應在HFETs 表面采用PECVD技術，積淀一層厚重的SiNx鈍化層[5]。在GaN 功率開關器件中采用PECVD-SiNx鈍化技術效果較好，但該鈍化技術只適用于開關器件工作電壓低于100 V 的狀況，當開關器件功率電壓高于100 V 時，如果缺少鈍化技術的輔助，則無法減緩動態(tài)電阻的增長速度[6]。出現(xiàn)該種現(xiàn)象的原因是在PECVD 中，等離子體通過直接耦合附著到GaN 樣品上，損傷GaN 功率開關器件表面，與此同時，SiNx與GaN 間晶格失配率達到-7.8%，晶格失配率較高，如表1 所示，降低鈍化層晶體質(zhì)量，嚴重影響鈍化層的缺陷密度，這些界面態(tài)和出現(xiàn)的缺陷導致GaN 功率開關器件出現(xiàn)電流坍塌現(xiàn)象。

表1 SI3N4 與AlN 鈍化介質(zhì)的基本特性參數(shù)Tab.1 Basic characteristic parameters of SI3N4 and AlN passivation media

除此之外，PECVD-SiNx鈍化技術覆蓋層面能力較弱，尤其是在柵漏邊緣高場區(qū)域內(nèi)，該技術覆蓋層面能力最弱?；谏鲜龇治?，應探析出一種高壓鈍化技術，使GaN 功率開關器件在高壓狀況下，符合低動態(tài)導通電阻的需求[7]，實現(xiàn)高性能GaN 功率開關器件的抗高壓動態(tài)導通電阻退化功能。高壓鈍化技術包括極值性PEALD-AlN 鈍化和高溫LPCVD-SiNx鈍化兩個過程。

1.1.1 極值性PEALD-AlN 鈍化

從表1 中可以看出，與Si3N4材料相比，氮化物AlN 材料禁帶寬度更高、熱導率更大，同時擊穿電場更高。氮化物AlN 與GaN 間晶格失配率顯著低于Si3N4與GaN 間晶格失配率，因此在GaN 功率開關器件表面制作鈍化層時，應選取氮化物AlN 進行制備。

近年來功率開關器件表面主要的鈍化技術有金屬有機化學氣相沉淀和分子束外延2 種，通過上述技術，可用氮化物AlN 外延鈍化高性能GaN 功率開關器件表面，有效抑制電流坍塌。但上述技術需在高溫狀態(tài)下實現(xiàn)，與現(xiàn)有工藝不兼容。隨著技術不斷發(fā)展，出現(xiàn)了RPP 和PEALD 表面沉淀技術，該技術所需溫度較上述兩種技術所需溫度較低，能在GaN 異質(zhì)結構上產(chǎn)生質(zhì)量較高的PEALD-AlN 薄膜，通過RPP 低損傷處理技術，使GaN 與PEALD-AlN 界面分明，同時距離界面4 mm 的AlN 形貌良好，幾乎與單晶形貌形同[8]。根據(jù)PEALD-AlN 與GaN 之間出現(xiàn)的張應力，局域多晶化傾向出現(xiàn)在大于4 nm 的區(qū)域，因此在鈍化高性能GaN 功率開關器件表面時，應采用4 nm 厚度的PEALD-AlN 鈍化。

當高性能GaN 功率開關器件從高壓態(tài)轉換成低壓態(tài)時，4 nm 厚度的PEALD-AlN 鈍化GaN 功率開關器件的能力較好，能有效抑制電流坍塌。將低溫PEALD-AlN 鈍化技術與準靜態(tài)C-I 測試相結合發(fā)現(xiàn)，在厚度為2 nm 的PEALD-AlN 薄膜與GaN之間，鈍化后誘導出正電荷密度為3.2×1013e/cm2、融合厚度為2 nm 的PEALD-AlN 薄膜與GaN 異質(zhì)結間自發(fā)和壓電極化電荷，與上述得到的高密度電荷數(shù)量近似。因此可以看出，通過采用PEALD 技術，在低溫狀態(tài)下生長的PEALD-AlN 薄膜含有極化特性。在GaN 異質(zhì)結構表面通過PEALD-AlN 薄膜誘導的正電荷能補償深能級表面態(tài)。該深能級表面態(tài)主要功能是捕獲電子，減少充電表面態(tài)消耗柵漏極接入?yún)^(qū)溝道2DEG 的數(shù)量，有效減少高壓電流坍塌現(xiàn)象。經(jīng)過鈍化后導出的正電荷即為極值化電荷。盡管極值化電荷有可能未及時補償靠近GaN導帶底淺界面態(tài)，但由于GaN 導帶底淺界面態(tài)自身充電時間短、放電時間短的特點，與GaN 功率開關器件的導通電阻關聯(lián)性較小，幾乎不對GaN 功率開關器件的導通電阻產(chǎn)生影響[9]。

極性PEALD-AlN 鈍化處理技術限制內(nèi)容較少，準許在GaN 功率開關器件中出現(xiàn)一定量界面態(tài)，有效降低了處理GaN 功率開關器件界面態(tài)的難度。將極性PEALD-AlN 鈍化處理得到的鈍化層厚度限制在50 nm 以內(nèi)，以便提升GaN 功率開關器件抗?jié)裥?。在極性PEALD-AlN 鈍化處理的過程中，將AlN 與SiNx相結合構建復合鈍化層結構，選取較厚的SiNx表面覆蓋層，通過表面覆蓋層保護4 nm 厚度的PEALD-AlN 材料，提升PEALD-AlN 鈍化的可靠程度。根據(jù)復合鈍化層結構，設計高壓狀況下GaN 功率開關器件，實現(xiàn)單片集成器件的目的[10]，同時降低動態(tài)導通電阻退化能力。高壓狀況下GaN 功率開關器件單片集成結構示意如圖1 所示。

圖1 GaN 功率開關器件單片集成結構示意Fig.1 Schematic of monolithic integrated structure of GaN power switching device

1.1.2 高溫LPCVD-SiNx鈍化

在傳統(tǒng)工藝中，GaN 表面鈍化層是PECDVSi3N4介質(zhì)，但是PECDV-Si3N4介質(zhì)具有耐高溫能力差、元素純度不高等性質(zhì)，無法使GaN 功率開關器件表面不受任何損傷，也不能從根本上解決界面態(tài)問題。而采用互補金屬氧化物半導體工藝，獲取高溫生長的SiNx介質(zhì)，獲取的介質(zhì)具有較多優(yōu)點，例如介質(zhì)致密性較高、熱穩(wěn)定性較好、等離子體表面無損傷等，在GaN 功率開關器件高溫鈍化中具有明顯的優(yōu)越性[11]。根據(jù)上述特點，可在GaN 功率開關器件一次鈍化工藝中加入高溫PECDV-Si3N4介質(zhì)。在構建器件的過程中，先鈍化保護GaN 異質(zhì)結外延片，防止在構建GaN 功率開關器件時出現(xiàn)GaN 異質(zhì)結表面態(tài)增加的現(xiàn)象。在構建GaN 功率開關器件時，還應特別注意高溫歐姆退火過程中可能出現(xiàn)的GaN異質(zhì)結表面態(tài)增加的現(xiàn)象。主要是因為在高溫歐姆退火過程中，低溫生長的PECDV-SiNx會開裂，因此只能在高溫歐姆退火后鈍化GaN 功率開關器件。在高溫歐姆退火之前，GaN 功率開關器件表面無保護層，導致經(jīng)過高溫歐姆退火后器件表面出現(xiàn)較厚氧化層，同時產(chǎn)生和氧化層厚度相近的N 空位層[12]。而高溫生長的PECDV-SiNx可在高溫歐姆退火前進行鈍化，有效保護了GaN 功率開關器件的表面。對比高溫生長的PECDV-SiNx與低溫生長的PECDV-SiNx鈍化過程發(fā)現(xiàn)，高溫生長的PECDV-SiNx形成的鈍化層能有效保護GaN 功率開關器件，GaN 功率開關器件經(jīng)過高溫歐姆退火處理后，界面層形成的氧化膜較薄，即高溫生長的PECDV-SiNx材料能減少GaN 功率開關器件的工藝玷污狀況，防止形成氮空位，減少再氧化過程的出現(xiàn)[13]。

但對比高溫LPCVD-SiNx鈍化技術和極值PEALD-AlN 鈍化技術發(fā)現(xiàn)，高溫LPCVD-SiNx鈍化技術中沒有RPP 原位處理過程。在濕法處理之后仍可能出現(xiàn)再氧化的情況，致使GaN 功率開關器件表面形成一定的界面態(tài)。因此，在采用高溫LPCVD-SiNx鈍化技術之前，應先去氧化層處理和氮化處理高性能GaN 功率開關器件表面，原位低損傷處理高性能GaN 功率開關器件，可有效抑制高性能GaN 功率開關器件中出現(xiàn)的高壓電流坍塌。

1.2 磷粒子注入對器件導通電阻的影響

通過采用上述鈍化技術，在GaN 功率開關器件界面層形成一層鈍化層，抑制了GaN 功率開關器件出現(xiàn)的電流坍塌。除此之外，為改善歐姆特性，提升器件抗導通電阻退化能力，應在GaN 功率開關器件電極附近注入磷離子，在器件表面形成掩膜，實現(xiàn)N 層重摻雜[14]。GaN 功率開關器件表面剖面如圖2 所示。注入磷離子的表面摻雜濃度為2.3×1020cm-3，摻雜深度為150 nm。

圖2 GaN 功率開關器件表面剖面Fig.2 Surface profile of GaN power switching device

將偏置電壓和觸發(fā)能量設定為相同數(shù)值，此時電極附近較大的體電阻對GaN 功率開關器件導通電阻的影響最大。高性能GaN 功率開關器件的主要組成部分是歐姆接觸，影響GaN 功率開關器件導通電阻的最大因素是觸發(fā)能量數(shù)值。當在GaN功率開關器件電極附近注入磷離子后，能大幅度提升歐姆特性，降低GaN 功率開關器件附近的體電阻。當觸發(fā)能量較低時，GaN 功率開關器件的導通電阻能處于較低的水平，降低高性能GaN 功率開關器件導通電阻與出發(fā)能量之間的相關度，改善器件導通電阻退化能力高性能，提升GaN 功率開關器件整體性能。

2 實驗分析

2.1 極值性PEALD-AlN 鈍化前后電流坍塌特性

為驗證采用極值性PEALD-AlN 鈍化技術處理后GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌特性是否增強，對比了未鈍化、RPP 處理但未鈍化和鈍化后的GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌效應能力，其中，GaN 功率開關器件柵長2 μm，柵源間距10 μm，柵漏間距為8 μm，柵極與S2 間距2 μm，S2長4 μm，其三段擊穿電壓為900 V。GaN 功率開關器件如圖3 所示。

圖3 GaN 功率開關器件Fig.3 GaN power switching device

對比結果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，當從高壓態(tài)向低壓態(tài)轉化的過程中，經(jīng)過極值性PEALD-AlN 鈍化后，GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌效應能力較好；當柵壓逐漸降低，經(jīng)過極值性PEALD-AlN 鈍化后的GaN 功率開關器件電流幾乎無明顯變化，表示PEALD-AlN 鈍化后的GaN功率開關器件能夠抗高壓導通電阻退化，阻止在高壓狀況下GaN 功率開關器件中導通電阻的增長。極值性PEALD-AlN 鈍化實驗流程如圖5 所示。

圖4 極值性PEALD-AlN 鈍化前后電流坍塌效應Fig.4 Effect of current collapse before and after passivation by extreme PEALD-AlN

圖5 極值性PEALD-AlN 鈍化實驗流程Fig.5 Experimental process of extreme PEALD-AlN passivation

通過PEALD 沉積技術，外延AIN 鈍化GaN 基器件表面，將高壓關態(tài)轉換為低壓開態(tài)，測量PEALD-AlN 電流的降低程度，從而可了解GaN 功率開關器件是否有效抑制高壓電流坍塌。

2.2 高溫LPCVD-SiNx 鈍化前后電流坍塌特性

為檢驗高溫LPCVD-SiNx鈍化后GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌特性是否增強，對比了鈍化前和鈍化后的GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌特性，對比結果如圖6 所示。

圖6 鈍化前后GaN 功率開關器件抑制高壓電流坍塌特性對比Fig.6 Comparison of high-voltage current collapse suppression characteristics of GaN power switching devices before and after passivation

從圖6 對比結果可以看出，在（-4，55）V 的測試條件下，電流坍塌特性從16.3%降低到5.89%，說明本文方法鈍化后GaN 功率開關器件電流坍塌特性降低，有效解決了高壓動態(tài)導通電阻退化問題。

2.3 有無磷離子注入GaN 功率開關器件性能對比

為檢驗注入磷離子后GaN 功率開關器件性能，統(tǒng)計分析了有、無磷離子注入時導通電阻的變化情況。有無磷離子注入對歐姆電阻的影響結果如表2 所示。

從表2 中可以看出，在偏壓不變的情況下，觸發(fā)能量與導通電阻成反比，觸發(fā)能量越大，導通電阻越小。在無磷離子注入的狀況下，隨著觸發(fā)能量的變化，導通電阻波動較大；而本文方法中將磷離子注入GaN 功率開關器件電極附近后，隨著觸發(fā)能量的增加，導通電阻變化較小，導通電阻最小值為3.16 Ω/mm。說明磷離子注入后的GaN 功率開關器件導通電阻優(yōu)于無磷離子注入的GaN 功率開關器件導通電阻，采用本文方法制作的GaN 功率開關器件效果較好。

表2 有無磷離子注入對歐姆電阻的影響Tab.2 Effect of phosphorus ion implantation on ohmic resistance

2.4 GaN 功率開關器件靈敏度對比

為檢驗本文方法處理后的GaN 功率開關器件性能，對比了本文方法、二分法和能帶調(diào)制方法，對比結果如表3 所示。

表3 靈敏度測試用時對比結果Tab.3 Comparison results of sensitivity test time

從表3 中可以看出，隨著電壓的增加，靈敏度逐漸降低；經(jīng)過本文方法處理后的GaN 功率開關器件靈敏度比其他方法處理后的靈敏度高；本文方法靈敏度最低用時為8.54 ms，即經(jīng)過本文方法處理后的GaN 功率開關器件抗高壓能力較強。

3 結語

由于GaN 材料具有低導通電阻、高臨界電場、高載流子遷移率等特性，使GaN 功率開關器件具有較高性能。為提升GaN 功率開關器件抗高壓動態(tài)導通電阻退化能力，采用多次鈍化技術減少高壓電流坍塌現(xiàn)象。首先，采用極性PEALD-AlN 鈍化處理技術獲取鈍化層，提升GaN 功率開關器件抗?jié)裥?，同時將獲取的鈍化層進行復合處理，根據(jù)復合鈍化層的結構，設計高壓狀況下增強型和耗盡型GaN 功率開關器件，實現(xiàn)單片集成器件的目的，降低動態(tài)導通電阻退化能力。其次，去氧化層處理和氮化處理GaN 功率開關器件表面，原位低損傷處理GaN 功率開關器件，再采用高溫LPCVD-SiNx鈍化技術，有效地抑制GaN 功率開關器件中出現(xiàn)的高壓電流坍塌。最后，在GaN 功率開關器件電極附近注入磷離子，在器件表面形成掩膜，實現(xiàn)N 層重摻雜，改善GaN 功率開關器件的歐姆特性，提升器件的抗導通電阻退化能力。通過上述過程可提升器件抗高壓動態(tài)導通電阻退化能力，改善器件的整體性能。