增強(qiáng)型GaN HEMT器件的實(shí)現(xiàn)方法與研究進(jìn)展*

穆昌根，黨 睿，袁 鵬，陳大正

（1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071；2.西安航天精密機(jī)電研究所，西安 710100）

1 引言

氮化鎵（GaN）材料近年來發(fā)展勢頭迅猛，被業(yè)內(nèi)人士譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料，因其具有寬帶隙、高電子漂移速度、抗輻射、耐高溫等優(yōu)良的物理特性，逐漸成為高頻、高溫、高效率、抗輻射等領(lǐng)域的熱門研究對象[1]。目前開發(fā)成熟的GaN基功率器件大多是GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件，良好的性能使其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、軌道交通、工業(yè)設(shè)備及通信基站等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

對于GaN HEMT器件，由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處內(nèi)部存在的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)共同作用，產(chǎn)生了大量二維電子氣（2DEG）[2]，使得GaN HEMT器件在無外界偏置情況下仍然存在天然的導(dǎo)電溝道，使器件在零偏壓下處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以一般的GaN HEMT器件為耗盡型（D型）器件。自1993年KHAN等人[3]成功制備第一個耗盡型GaN HEMT器件以來，由于該器件在無外加偏置電壓情況下會引起較大的導(dǎo)通電阻和較高的開關(guān)損耗，同時還需要額外的負(fù)偏置電壓來維持非工作狀態(tài)而增加器件功耗，如今的耗盡型GaN HEMT器件的應(yīng)用受到了極大的限制。反之，具有正向開啟電壓的增強(qiáng)型（E型）GaN HEMT器件因其本身所表現(xiàn)出的良好失效保護(hù)功能、快速開關(guān)速度和低反向?qū)〒p耗等顯著性能[4]，在應(yīng)用上作為實(shí)現(xiàn)單片集成的GaN基互補(bǔ)邏輯（CL）的基本單元，日益成為研究者們關(guān)注的對象。實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的關(guān)鍵在于通過一定方法盡可能使柵下異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG耗盡。自相關(guān)研究者于1996年成功制備增強(qiáng)型的薄勢壘AlGaN/GaN HEMT器件[5]以來，研究者們通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)工藝，提出了多種實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的方法，其中常見的有p型柵技術(shù)[6]、凹柵結(jié)構(gòu)[7]、共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)[8]、氟離子處理法[9]、減薄勢壘[10]及它們的改進(jìn)結(jié)構(gòu)等，這些技術(shù)大大改善了GaN HEMT器件的工作性能。

本文綜述了使用以上方法制備的增強(qiáng)型GaN HEMT器件及它們的優(yōu)勢和缺陷，分別對增強(qiáng)型GaN HEMT器件的最新研究進(jìn)展和業(yè)界最新的GaN器件解決方案進(jìn)行了總結(jié)及介紹，探討了未來增強(qiáng)型GaN HEMT器件的發(fā)展方向。

2 增強(qiáng)型GaN HEMT器件的實(shí)現(xiàn)方法

增強(qiáng)型GaN HEMT器件在應(yīng)用中有著獨(dú)特的性能優(yōu)勢，針對如何制造出性能優(yōu)良的增強(qiáng)型GaN HEMT器件的問題，目前提出的幾種常見解決方案中有些已成功應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，以下分別對這幾種方案進(jìn)行綜述。

2.1 p型柵技術(shù)

最具代表性的增強(qiáng)型GaN HEMT器件實(shí)現(xiàn)方法是p型柵技術(shù)[11]。該技術(shù)由豐田公司于2007年首次提出[12]，后來逐漸發(fā)展成為商用主流技術(shù)之一。此類增強(qiáng)型器件通過在AlGaN勢壘層上方淀積一層Mg離子摻雜的p-GaN帽層，再在該帽層上濺射金屬柵極而成。其中，Mg離子摻雜的有效濃度及p型柵帽層的厚度等與器件的導(dǎo)通電阻及閾值電壓等有著密切的聯(lián)系。圖1（a）為p-GaN帽層增強(qiáng)型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)。在零偏壓的情況下，p-GaN帽層可以將AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的導(dǎo)帶能級提升至費(fèi)米能級以上，耗盡異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG，導(dǎo)致柵下有效溝道夾斷。當(dāng)施加一定的正向偏置電壓后，隨著柵下2DEG的恢復(fù)，HEMT器件隨之開啟。使用p-GaN帽層前后異質(zhì)結(jié)處能帶的變化如圖1（b）所示，圖1（b）中E為能量，△Ec為AlGaN和GaN之間的導(dǎo)帶底在交界面的帶階，△Ef為GaN內(nèi)部和GaN表面的費(fèi)米能級之差，d為AlGaN勢壘厚度，φB為肖特基勢壘高度，Ec為GaN的導(dǎo)帶底。

圖1 增強(qiáng)型p-GaN帽層HEMT結(jié)構(gòu)及有無p-GaN層的能帶變化

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型器件閾值電壓較穩(wěn)定、導(dǎo)通電阻低、可靠性強(qiáng)，但同時也面臨著柵控能力減弱、寄生電容增加等問題。

2.2 凹柵結(jié)構(gòu)

早在2003年，OKITA等人[14]就使用凹柵刻蝕的方法成功制備了增強(qiáng)型的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件，其相關(guān)研究一直在進(jìn)行，凹柵刻蝕實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的原理就是通過一定手段對柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處一定厚度的勢壘層進(jìn)行部分刻蝕或完全刻蝕，其不僅降低了柵下的極化電荷密度，也減小了柵極金屬和溝道的距離，同時利用肖特基接觸產(chǎn)生的電場，共同耗盡柵下感應(yīng)的2DEG，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基器件的目的。從能帶結(jié)構(gòu)上看，則為勢壘層導(dǎo)帶能級下降不足導(dǎo)致二維勢阱消失，進(jìn)而使2DEG耗盡。圖2為凹柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基器件的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 凹柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)

凹柵GaN HEMT器件不僅提高了器件的柵控能力，還大大改善了增強(qiáng)型器件的頻率及跨導(dǎo)，但在刻蝕過程中引入的刻蝕損傷及界面態(tài)會嚴(yán)重影響此類器件的性能可靠性，盡管這種影響可通過淀積柵介質(zhì)得到改善，但目前仍限制著其商業(yè)應(yīng)用。

2.3 Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)

采用Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的技術(shù)也已成功用于商業(yè)市場。作為一種Si基功率器件向純GaN基功率器件的過渡技術(shù)，傳統(tǒng)的Cascode FET采用Si基MOSFET和常開耗盡型GaN HEMT器件聯(lián)接，然后將它們封裝在一起，而對外整體呈現(xiàn)為增強(qiáng)型。圖3是其相應(yīng)級聯(lián)的等效電路結(jié)構(gòu)圖，該圖展現(xiàn)了其基本的連接形式，Si基晶體管的漏極與D型GaN HEMT器件的源極相聯(lián)，而D型管的柵極與Si基晶體管的源極相聯(lián)，同時Si基MOSFET的柵極閾值電壓作為整個器件的閾值電壓，控制著Cascode器件整體的導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖3 Cascode結(jié)構(gòu)等效電路

采用傳統(tǒng)Cascode級聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型器件閾值電壓高且穩(wěn)定，并且能夠和現(xiàn)有的Si電路匹配良好，但是由于其自身存在的電容失配問題，在耐高溫和小型化設(shè)計方面遠(yuǎn)不及非級聯(lián)的增強(qiáng)型GaN基HEMT器件，限制了其未來進(jìn)一步的應(yīng)用。

2.4 氟離子處理技術(shù)及減薄勢壘層法

使用氟離子注入技術(shù)制備增強(qiáng)型GaN HEMT器件，通常是在柵極沉積前通過一定技術(shù)對柵下AlGaN勢壘層注入一定劑量及能量的氟離子。由于氟離子對外整體呈現(xiàn)負(fù)電性，進(jìn)入到AlGaN勢壘層中的氟離子形成了帶負(fù)電的固定電荷，從能帶結(jié)構(gòu)上看，其在提高勢壘層勢壘高度的同時，提高了異質(zhì)結(jié)界面處的導(dǎo)帶能級，當(dāng)導(dǎo)帶能級底部超過費(fèi)米能級時，該異質(zhì)結(jié)處的二維勢阱消失，進(jìn)而使柵下溝道中的2DEG耗盡，達(dá)到正向移動閾值電壓的目的。圖4（a）為使用氟離子處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)。采用氟注入法制成的增強(qiáng)型GaN HEMT器件通常能夠達(dá)到很高的正向閾值柵電壓，同時，結(jié)合柵介質(zhì)層能夠很好地抑制柵泄漏電流、提升柵擺幅，然而離子注入會形成大量的空態(tài)及界面態(tài)，對勢壘層造成損傷，會使閾值電壓的穩(wěn)定性變差[15]。

減薄勢壘層法通過改變AlGaN勢壘層的厚度d，使勢壘層的極化電荷密度降低，當(dāng)降低至一定值時，溝道便不會感應(yīng)生成2DEG；從導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)上看，和凹柵刻蝕技術(shù)相似，減薄勢壘層后，因勢壘層的導(dǎo)帶下降不足使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處導(dǎo)帶上升或抬升到費(fèi)米能級以上，使原本存在的二維勢阱消失，從而耗盡2DEG，實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型工作。減薄勢壘前后異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，其中Ef代表費(fèi)米能級，d1代表常規(guī)GaN HEMT器件中AlGaN勢壘層的厚度，d2代表薄勢壘GaN HEMT器件中AlGaN勢壘層的厚度。雖然薄勢壘形成的增強(qiáng)型器件避免了由凹柵刻蝕帶來的損傷和界面態(tài)，但傳統(tǒng)的薄勢壘器件通常都面臨著溝道中2DEG密度降低、導(dǎo)通電阻變大的問題。

圖4 氟離子注入型器件結(jié)構(gòu)及D型與薄勢壘器件能帶對比

3 增強(qiáng)型GaN HEMT器件的最新進(jìn)展

近幾年來，隨著新技術(shù)及新結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，增強(qiáng)型GaN HEMT器件的相關(guān)性能不斷提高，各項(xiàng)性能指標(biāo)都不斷接近GaN基器件的理論水平，同時相關(guān)的商業(yè)產(chǎn)品也在不斷推出，這里對最新的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并介紹相關(guān)制造商近幾年推出的增強(qiáng)型GaN器件解決方案。

3.1 p型柵技術(shù)的最新進(jìn)展

在p型柵技術(shù)中，使用p-GaN帽層是最成熟的，近年來，國內(nèi)外研究者在該技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行著工藝或結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和創(chuàng)新。2018年LIN等人[16]通過兩步數(shù)字刻蝕（DE）工藝制備了p-GaN柵HEMT器件，在循環(huán)刻蝕過程中移除了不需要的p-GaN帽層，最大程度上減少了對材料的損傷，圖5（a）所示為刻蝕工藝流程，圖5（b）所示為p-GaN非柵區(qū)刻蝕深度。當(dāng)源極和漏極的間距LSD=20 μm時，該器件實(shí)現(xiàn)了較大的閾值電壓（2 V），漏電流密度達(dá)到了211 mA/mm，同時靜態(tài)導(dǎo)通電阻降低至17.3 Ω·mm，其開關(guān)電流比及擊穿電壓分別達(dá)到1.2×106和426 V。

針對傳統(tǒng)的p-GaN層形成的增強(qiáng)型器件擊穿電壓較低的問題，一般通過各種場板結(jié)構(gòu)的設(shè)計來提高擊穿電壓。2019年JIANG等人[17]通過設(shè)計T型柵接觸場板和減少金屬/p-GaN接觸外沿，使該器件不僅通過抑制AlGaN表面附近p-GaN邊沿的電場峰值提高了器件的擊穿電壓，還保護(hù)了p-GaN/AlGaN/GaN結(jié)的完整性，從而在關(guān)斷狀態(tài)下，柵被擊穿后仍然保存著對電壓的阻斷能力，使器件不受進(jìn)一步的損壞。其擊穿電壓達(dá)到1100 V時，閾值電壓可達(dá)2.3 V，最大漏電流為610 mA/mm，亞閾值擺幅（SS）及開關(guān)電流比分別達(dá)到66 mV/dec和5×108。圖6（a）為該GaN器件的結(jié)構(gòu)，其中LGS為柵源間距，LG為柵極長度，LGFP為漏極方向的柵場板長度，LGD為柵漏間距，圖6（b）為有無T型場板的電場分布對比，其中VGS代表加在柵源間的電壓，VDS代表加在漏源間的電壓。

圖5 數(shù)字刻蝕工藝流程及非柵區(qū)帽層刻蝕深度示意圖

2020年HU等人[18]通過使用源場板和柵場板的雙場板組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電場的均勻分布，提高了擊穿電壓（600 V），減少了界面附近的電荷捕獲效應(yīng)，同時結(jié)合NH3等離子體處理還顯著降低了該器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻Ron，在200 V電壓阻斷后導(dǎo)通電阻僅增加了50%，從而有效抑制了電流崩潰效應(yīng)，其閾值電壓達(dá)到3.7 V，飽和電流為132 mA/mm。為了使器件的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻實(shí)現(xiàn)良好的性能折中，2021年WEI等人[19]用選擇性氫等離子體處理p-GaN，實(shí)現(xiàn)了一種橫向耦合p-GaN柵HEMT器件，其器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)各p-GaN條的寬度Wp和相互間的間距WHR設(shè)計得足夠小時，耗盡區(qū)的耦合效應(yīng)可使器件擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的折中良好，當(dāng)p-GaN和漏極的間距LPD=10 μm時，器件性能達(dá)到最優(yōu)，導(dǎo)通電阻低至11.54 Ω·mm的同時擊穿電壓可達(dá)到880 V。

圖6 增強(qiáng)型器件結(jié)構(gòu)及有無場板的電場分布對比[17]

圖7 一種橫向耦合p-GaN柵HEMT器件[19]

同年JIANG等人[20]通過改進(jìn)上述增強(qiáng)型p-GaN HEMT器件工藝，用原子層沉積（ALD）技術(shù)沉積Al2O3代替等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)沉積SiN作鈍化層，并進(jìn)行高電阻率緩沖層優(yōu)化生長，在保持此前報道的閾值電壓、亞閾值擺幅等性能參數(shù)的同時，進(jìn)一步提高了器件的擊穿電壓（1344 V）及導(dǎo)通電阻（約14 Ω·mm）的折中關(guān)系，同時其峰值跨導(dǎo)達(dá)到135 mS/mm，表征功率特性的Baliga優(yōu)值（BFOM）達(dá)到461 MW/cm2。盡管p-GaN HEMT器件是p型柵器件中最成熟的，但其固有的Mg摻雜難激活等問題始終限制著器件性能的大幅提升，因此p型金屬氧化物帽層的研究一直在進(jìn)行。2022年，西安電子科技大學(xué)的CHEN等人[21]通過磁控濺射沉積p-SnO代替p-GaN作為AlGaN/GaN HEMT的柵帽層，在未經(jīng)優(yōu)化的器件上實(shí)現(xiàn)了1 V的閾值電壓及420 V的器件擊穿電壓，表明其擁有巨大的應(yīng)用潛力。

3.2 使用凹柵結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展

針對傳統(tǒng)凹柵刻蝕形成的增強(qiáng)型器件出現(xiàn)大量的刻蝕損傷及界面態(tài)所導(dǎo)致的柵泄露等問題，一般都是通過沉積各種不同的柵介質(zhì)及改進(jìn)生長工藝來降低損傷及界面態(tài)帶來的影響，提高器件閾值電壓及頻率特性等。2019年LI等人[22]通過將硅原子加入到原子層沉積的柵介質(zhì)HfO2中改善了增強(qiáng)型GaN MOS-HEMT器件的相關(guān)性能，與傳統(tǒng)的HfO2柵介質(zhì)相比，其界面陷阱密度降低了一個數(shù)量級，內(nèi)部的固定氧化層陷阱減少了一半，表現(xiàn)出很好的頻率特性和器件可靠性，其閾值電壓為1.5 V，SS低至65 mV/dec，電流開/關(guān)比高達(dá)1010以上，而最大擊穿電壓（742 V）比傳統(tǒng)的HfO2柵介質(zhì)的HEMT器件提高了30%。而在改進(jìn)工藝方面，2020年，ASUBAR等人[23]提出了生長在SiC襯底上的凹柵刻蝕結(jié)合金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）再生AlGaN勢壘層技術(shù)的增強(qiáng)型MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)，圖8（a）為該GaN器件制造流程圖，圖8（b）為該器件的結(jié)構(gòu)圖。通過再生工藝形成一層新的半導(dǎo)體-絕緣體界面，極大地降低了干法刻蝕對2DEG密度和遷移率造成的影響，其閾值電壓達(dá)到5 V，最大漏電流達(dá)到425 mA/mm，而關(guān)斷狀態(tài)下漏擊穿電壓為120 V。

此外，2021年，CAI等人[24]提出以在凹柵下沉積Al2O3/ZrOx/Al2O3電荷俘獲介質(zhì)層的方式降低刻蝕帶來的影響，當(dāng)柵漏間距LGD=5 μm時，其閾值電壓為（1.55±0.4）V，最大漏電流密度為（730±6）mA/mm，導(dǎo)通電阻為（7.1±0.2）Ω·mm，同時，器件還表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性擊穿電壓（1447 V）。盡管該器件在實(shí)際使用中需要進(jìn)一步優(yōu)化閾值電壓的穩(wěn)定性，但通過使用ZrOx電荷捕獲層來實(shí)現(xiàn)高閾值電壓和低導(dǎo)通電阻的方法顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。

圖8 增強(qiáng)型MIS-HEMT器件制造流程及結(jié)構(gòu)[23]

3.3 Cascode結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展

Cascode結(jié)構(gòu)作為比較成熟的技術(shù)，傳統(tǒng)雙芯片共封裝的形式阻礙了性能的進(jìn)一步提升，為了改善性能，2018年REN等人[25]利用外延生長的單片集成技術(shù)設(shè)計制成了適用于高電壓功率轉(zhuǎn)換的增強(qiáng)型Cascode FET器件，芯片間互聯(lián)距離僅是傳統(tǒng)雙芯片共封裝器件的2.5%，進(jìn)而降低了寄生效應(yīng)，經(jīng)測試，該器件閾值電壓和柵壓擺幅分別為3.2 V和±20 V，而擊穿電壓達(dá)到了696 V。圖9為該Cascode FET器件的結(jié)構(gòu)圖。

圖9 Cascode FET器件結(jié)構(gòu)[25]

外延生長的方式對材料晶格匹配度及外延晶面選擇性要求嚴(yán)格，且設(shè)備昂貴，2020年西安電子科技大學(xué)的ZHANG等人[26]采用轉(zhuǎn)移印刷及自對準(zhǔn)刻蝕技術(shù)制成了單片集成的增強(qiáng)型Cascode FET器件，降低了成本，解決了上述問題，相比傳統(tǒng)Cascode FET器件，該器件不僅展現(xiàn)了極好的界面形貌、較小的開關(guān)損失及良好的閾值電壓均勻性（2.0～2.2 V），同時柵壓擺幅達(dá)到±18 V，柵漏電流也低于10-5mA/mm。圖10展示了轉(zhuǎn)移印刷和自對準(zhǔn)刻蝕技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

圖10 轉(zhuǎn)移印刷和自對準(zhǔn)刻蝕技術(shù)的關(guān)鍵步驟[26]

此外，采用Si MOSFET和GaN HEMT聯(lián)接的傳統(tǒng)Cascode FET器件不可避免地會帶來兩者本征電容不匹配及增強(qiáng)寄生電感問題，2021年LIU等人[27]采用凹柵GaN MIS-FET替代Si基MOSFET與D型GaN基HEMT聯(lián)接，較好地緩解了上述不良影響，同時其閾值電壓達(dá)到3.6 V，硬擊穿電壓也高達(dá)883 V。

3.4 使用氟處理技術(shù)、減薄勢壘層及其他方法

雖然用氟處理技術(shù)及減薄AlGaN勢壘層的方式也可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件，但它們都存在各自的缺點(diǎn)。通過改進(jìn)工藝及結(jié)合其他技術(shù)使用氟處理技術(shù)及減薄勢壘層形成增強(qiáng)型GaN HEMT器件的性能得到不斷提高。2018年LING等人[28]通過淀積與源極相接觸的TiN側(cè)壁和TiN層，結(jié)合兩步氟處理工藝制備增強(qiáng)型GaN HEMT器件，通過兩步氟處理進(jìn)一步提高了勢壘層中的氟離子濃度，使得勢壘層導(dǎo)帶更大地向上彎曲，增大了背勢壘高度，減少了柵泄漏電流，而沉積向柵極延伸一定長度（Lledge）的TiN層，改善了等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了源電阻，當(dāng)Lledge=1 μm時，最大漏電流達(dá)到845 mA/mm，其峰值跨導(dǎo)（412 mS/mm）比傳統(tǒng)器件峰值跨導(dǎo)（340 mS/mm）提高了21.2%。此外，該器件的電流增益截止頻率（fT）和功率增益截止頻率（fMAX）分別達(dá)到了61 GHz和130 GHz，其Johnson優(yōu)值達(dá)到11.2 THz·V，表現(xiàn)出良好的高功率、高頻率特性。

而2020年ZHENG等人[29]通過研究采用氟離子處理技術(shù)形成的增強(qiáng)型GaN HEMT器件在反向柵應(yīng)力下閾值電壓的退化機(jī)理及經(jīng)退火恢復(fù)的機(jī)理時發(fā)現(xiàn)，氟離子碰撞電離閾值電壓退化的主要原因是：在較大的反向柵應(yīng)力下，柵下注入電子密度Qinj越大，與氟離子碰撞電離越激烈，閾值電壓退化也越嚴(yán)重，但經(jīng)柵應(yīng)力后一定時間的退火，溝道中的電子會隧穿進(jìn)入勢壘層中柵應(yīng)力所產(chǎn)生的中性陷阱中并被捕獲，使閾值電壓正向移動。這一研究為進(jìn)一步采用氟處理實(shí)現(xiàn)高性能的GaN器件提供了參考。圖11為柵下注入電子與閾值電壓的漂移量ΔVth的關(guān)系及退火過程中電子隧穿進(jìn)入溝道示意圖，圖11（a）中Vg為所加?xùn)烹妷海琕d為所加漏電壓，Vs為所加源電壓，圖11（b）中Ev代表價帶頂。

在薄勢壘研究方面，2019年HAN等人[30]通過使用SiN作鈍化層、AlOx作柵介質(zhì)層及利用鐵電電荷陷阱柵疊層制備出超薄勢壘的增強(qiáng)型MIS-HEMT器件，相較于傳統(tǒng)的凹柵增強(qiáng)型GaN HEMT器件，該器件不僅有更高的閾值電壓及最大漏電流，還擁有更小的閾值遲滯和更好的閾值電壓均勻性，其閾值電壓達(dá)到3.19 V，最大漏電流達(dá)到716 mA/mm，并且擊穿電壓也高達(dá)906 V，在集成電路及電源開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。同年，WANG等人[31]則通過在增強(qiáng)型薄勢壘GaN HEMT器件柵漏間刻蝕SiN鈍化層引入局部電荷補(bǔ)償溝道（LCCT）的方式優(yōu)化電場分布和BFOM，經(jīng)調(diào)整LCCT的刻蝕長度和寬度，與傳統(tǒng)薄勢壘GaN HEMT器件相比，其電場峰值降低了2.8 MV/mm，同時使LCCT下的電場分布更平坦，其BFOM更是傳統(tǒng)薄勢壘GaN基HEMT器件的2倍。圖12（a）（b）分別為其器件結(jié)構(gòu)及有無LCCT的電場分布，其中LT代表LCCT長度，DT代表刻蝕80 nm氮化硅層的刻蝕深度，VD代表器件所加漏極電壓。

圖12 引入LCCT的器件結(jié)構(gòu)與有無LCCT的電場分布[31]

為了對文中提到的增強(qiáng)型GaN HEMT器件的性能有更直觀的比較，將相關(guān)文獻(xiàn)中部分增強(qiáng)型GaN HEMT器件的性能參數(shù)概括到表1。

通過對增強(qiáng)型GaN HEMT器件最新研究進(jìn)展的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，各增強(qiáng)型器件的相關(guān)性能得到不斷提高，甚至某些性能指標(biāo)已達(dá)到極高標(biāo)準(zhǔn)（如經(jīng)過場板設(shè)計后的擊穿電壓），不難想象未來有望進(jìn)一步加深其應(yīng)用的程度。但在實(shí)際應(yīng)用中，除了考慮器件良好的性能及可靠性，還應(yīng)該使它與現(xiàn)有的或改進(jìn)創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、布局互聯(lián)、散熱性能的設(shè)計及先進(jìn)封裝設(shè)計等有良好的適配，所以在今后的研究中，進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、提高工藝設(shè)計水準(zhǔn)、提高器件可靠性及不斷推進(jìn)各類增強(qiáng)型器件的產(chǎn)品化設(shè)計等都是重要的方向。

表1 文獻(xiàn)中的增強(qiáng)型GaN HEMT器件性能參數(shù)

3.5 產(chǎn)業(yè)界最新推出的GaN器件解決方案

在功率器件應(yīng)用方面，目前，市場上已有很多性能良好的基于GaN HEMT器件的功率產(chǎn)品。2018年，GaN Systems公司推出了100 V/120 A GaN E-HEMT裝置GS-010-120-1-T，良好的性能使其適合于汽車和可再生能源等行業(yè)48 V的應(yīng)用；同年，日本松下也推出了基于MIS結(jié)構(gòu)730 V/20 A的GaN功率器件，該產(chǎn)品可以在柵壓高達(dá)10 V時穩(wěn)定連續(xù)工作而閾值電壓不會發(fā)生變化，其運(yùn)用可進(jìn)一步縮小各種功率轉(zhuǎn)換電路的體積。2020年，Transphorm公司也推出了650V/72 mΩ常關(guān)型GaN產(chǎn)品TP65H070LDG，該產(chǎn)品易于驅(qū)動，且能與標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器兼容。2021年末，意法半導(dǎo)體宣布推出2個GaN功率半導(dǎo)體新產(chǎn)品系列“G-HEMT”和“G-FET”。“G-HEMT”系列的首款器件為650 V/15 A的SGT120R65AL，該產(chǎn)品擁有極低的傳導(dǎo)損耗、高電流能力和極快的開關(guān)速度，能實(shí)現(xiàn)很高的功率密度及性能效率，而“G-FET”系列的首款器件則是Cascode型的GaN晶體管SGT250R65ALCS，這2個系列產(chǎn)品的推出將使消費(fèi)類電子產(chǎn)品和車載裝置等的電源實(shí)現(xiàn)更高效率和小型化的設(shè)計。

在數(shù)字電路領(lǐng)域，盡管ZHENG等人[32]通過在同一襯底上集成n溝道及p溝道FET構(gòu)成GaN CL，并對由GaN CL組成的反相器、部分基本邏輯門及多級環(huán)形振蕩器等進(jìn)行了分析，表明了GaN CL擁有巨大的應(yīng)用價值，但相比于GaN HEMT器件功率產(chǎn)品的不斷推出，適于數(shù)字電路的性能優(yōu)良的GaN CL現(xiàn)今卻難以實(shí)現(xiàn)，主要原因在于其互補(bǔ)的增強(qiáng)型p溝道場效應(yīng)晶體管面臨著低遷移率、高接觸電阻及柵控能力弱等挑戰(zhàn)，而通過改進(jìn)刻蝕工藝、運(yùn)用再生長技術(shù)及研究新結(jié)構(gòu)是改善這些問題的途徑，BADER等人[33]的研究結(jié)果表明AlN/GaN/AlN的結(jié)構(gòu)擁有巨大的潛力。

4 結(jié)束語

盡管業(yè)內(nèi)提出了多種制備增強(qiáng)型GaN HEMT器件的技術(shù)，有些已商業(yè)化應(yīng)用，但都存在各自的缺陷。此外，在設(shè)計增強(qiáng)型GaN HEMT器件時，還需要兼顧各項(xiàng)性能指標(biāo)間的折中關(guān)系并提高器件可靠性，要想實(shí)現(xiàn)性能良好的增強(qiáng)型器件，需要研究者或進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝上的改進(jìn)，或提出新的結(jié)構(gòu)。而在應(yīng)用上，對性能良好的GaN基CL的研究也任重道遠(yuǎn)。本文通過對增強(qiáng)型GaN HEMT器件的實(shí)現(xiàn)方法和最新進(jìn)展進(jìn)行綜述，為相關(guān)研究者研發(fā)高可靠性的、適于產(chǎn)品化的增強(qiáng)型GaN HEMT器件提供了有價值的參考。