覃 孟，潘革生

（1.北海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，北海 536000；2.南寧師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，南寧 530001）

隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，工業(yè)和民用生產(chǎn)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用功率開(kāi)關(guān)器件。近年來(lái)主要是用Si材料制備功率開(kāi)關(guān)器件，但隨著工藝的不斷提升，材料的極限值和Si 功率開(kāi)關(guān)器件性能幾乎一致，導(dǎo)致目前的Si 功率開(kāi)關(guān)器件無(wú)法滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需求[1]。對(duì)比Si 功率開(kāi)關(guān)器件發(fā)現(xiàn)，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件具有較多優(yōu)點(diǎn)，例如較低的導(dǎo)通電阻、較高的擊穿電壓等，能高效提升功率開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，減少功率開(kāi)關(guān)器件的耗損情況[2]。

目前GaN 功率開(kāi)關(guān)器件主要有異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和增強(qiáng)型金屬-絕緣體-半導(dǎo)體電子遷移率晶體管兩種結(jié)構(gòu)[3]。目前高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件性能得到明顯改善，但仍存在問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際電源轉(zhuǎn)換裝置和推廣系統(tǒng)的應(yīng)用較為困難[4]，其中影響最大的問(wèn)題是GaN 緩沖層深能級(jí)陷阱和鈍化介質(zhì)間界面態(tài)，該問(wèn)題將導(dǎo)致動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化和高場(chǎng)電流坍塌。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出抗高壓動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化的高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)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(dǎo)致的高壓電流坍塌情況的出現(xiàn)幾率。同時(shí)在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電極附近注入磷離子，增強(qiáng)GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抗動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化的能力。

1 高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件研究

1.1 高壓電流坍塌機(jī)理與抑制

由于氮化物本身出現(xiàn)的自發(fā)反應(yīng)和應(yīng)變過(guò)程中出現(xiàn)的壓電極化，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)界面出現(xiàn)高密度的2DEG，使GaN 功率開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)表面態(tài)現(xiàn)象。高壓偏置GaN 功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)態(tài)后，在柵邊緣高場(chǎng)作用下，容易使柵極漏電電子穿到AlGaN 勢(shì)壘層表面態(tài)上，耗盡溝道中的2DEG，溝道處于柵漏之間。在開(kāi)啟GaN 功率開(kāi)關(guān)器件時(shí)，不能及時(shí)釋放從表面獲取的電子，導(dǎo)致不能實(shí)時(shí)恢復(fù)2DEG，產(chǎn)生電流坍塌效應(yīng)。

電流坍塌主要是由GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面態(tài)放電速度緩慢造成的，為減少電流坍塌效應(yīng)，達(dá)到鈍化深層表面態(tài)的目的，應(yīng)在HFETs 表面采用PECVD技術(shù)，積淀一層厚重的SiNx鈍化層[5]。在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件中采用PECVD-SiNx鈍化技術(shù)效果較好，但該鈍化技術(shù)只適用于開(kāi)關(guān)器件工作電壓低于100 V 的狀況，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件功率電壓高于100 V 時(shí)，如果缺少鈍化技術(shù)的輔助，則無(wú)法減緩動(dòng)態(tài)電阻的增長(zhǎng)速度[6]。出現(xiàn)該種現(xiàn)象的原因是在PECVD 中，等離子體通過(guò)直接耦合附著到GaN 樣品上，損傷GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面，與此同時(shí)，SiNx與GaN 間晶格失配率達(dá)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(yán)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(dǎo)致GaN 功率開(kāi)關(guān)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(shù)覆蓋層面能力較弱，尤其是在柵漏邊緣高場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，該技術(shù)覆蓋層面能力最弱?；谏鲜龇治?，應(yīng)探析出一種高壓鈍化技術(shù)，使GaN 功率開(kāi)關(guān)器件在高壓狀況下，符合低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的需求[7]，實(shí)現(xiàn)高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的抗高壓動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化功能。高壓鈍化技術(shù)包括極值性PEALD-AlN 鈍化和高溫LPCVD-SiNx鈍化兩個(gè)過(guò)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(dǎo)率更大，同時(shí)擊穿電場(chǎng)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(kāi)關(guān)器件表面制作鈍化層時(shí)，應(yīng)選取氮化物AlN 進(jìn)行制備。

近年來(lái)功率開(kāi)關(guān)器件表面主要的鈍化技術(shù)有金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀和分子束外延2 種，通過(guò)上述技術(shù)，可用氮化物AlN 外延鈍化高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面，有效抑制電流坍塌。但上述技術(shù)需在高溫狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有工藝不兼容。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了RPP 和PEALD 表面沉淀技術(shù)，該技術(shù)所需溫度較上述兩種技術(shù)所需溫度較低，能在GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生質(zhì)量較高的PEALD-AlN 薄膜，通過(guò)RPP 低損傷處理技術(shù)，使GaN 與PEALD-AlN 界面分明，同時(shí)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(yīng)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(kāi)關(guān)器件表面時(shí)，應(yīng)采用4 nm 厚度的PEALD-AlN 鈍化。

當(dāng)高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件從高壓態(tài)轉(zhuǎn)換成低壓態(tài)時(shí)，4 nm 厚度的PEALD-AlN 鈍化GaN 功率開(kāi)關(guān)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(shù)與準(zhǔn)靜態(tài)C-I 測(cè)試相結(jié)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(dǎo)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(jié)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(guò)采用PEALD 技術(shù)，在低溫狀態(tài)下生長(zhǎng)的PEALD-AlN 薄膜含有極化特性。在GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面通過(guò)PEALD-AlN 薄膜誘導(dǎo)的正電荷能補(bǔ)償深能級(jí)表面態(tài)。該深能級(jí)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(guò)鈍化后導(dǎo)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(shí)補(bǔ)償靠近GaN導(dǎo)帶底淺界面態(tài)，但由于GaN 導(dǎo)帶底淺界面態(tài)自身充電時(shí)間短、放電時(shí)間短的特點(diǎn)，與GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻關(guān)聯(lián)性較小，幾乎不對(duì)GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響[9]。

極性PEALD-AlN 鈍化處理技術(shù)限制內(nèi)容較少，準(zhǔn)許在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件中出現(xiàn)一定量界面態(tài)，有效降低了處理GaN 功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)器件抗?jié)裥浴Ｔ跇O性PEALD-AlN 鈍化處理的過(guò)程中，將AlN 與SiNx相結(jié)合構(gòu)建復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)，選取較厚的SiNx表面覆蓋層，通過(guò)表面覆蓋層保護(hù)4 nm 厚度的PEALD-AlN 材料，提升PEALD-AlN 鈍化的可靠程度。根據(jù)復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高壓狀況下GaN 功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)單片集成器件的目的[10]，同時(shí)降低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化能力。高壓狀況下GaN 功率開(kāi)關(guān)器件單片集成結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 GaN 功率開(kāi)關(guān)器件單片集成結(jié)構(gòu)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(wú)法使GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面不受任何損傷，也不能從根本上解決界面態(tài)問(wèn)題。而采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，獲取高溫生長(zhǎng)的SiNx介質(zhì)，獲取的介質(zhì)具有較多優(yōu)點(diǎn)，例如介質(zhì)致密性較高、熱穩(wěn)定性較好、等離子體表面無(wú)損傷等，在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件高溫鈍化中具有明顯的優(yōu)越性[11]。根據(jù)上述特點(diǎn)，可在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件一次鈍化工藝中加入高溫PECDV-Si3N4介質(zhì)。在構(gòu)建器件的過(guò)程中，先鈍化保護(hù)GaN 異質(zhì)結(jié)外延片，防止在構(gòu)建GaN 功率開(kāi)關(guān)器件時(shí)出現(xiàn)GaN 異質(zhì)結(jié)表面態(tài)增加的現(xiàn)象。在構(gòu)建GaN 功率開(kāi)關(guān)器件時(shí)，還應(yīng)特別注意高溫歐姆退火過(guò)程中可能出現(xiàn)的GaN異質(zhì)結(jié)表面態(tài)增加的現(xiàn)象。主要是因?yàn)樵诟邷貧W姆退火過(guò)程中，低溫生長(zhǎng)的PECDV-SiNx會(huì)開(kāi)裂，因此只能在高溫歐姆退火后鈍化GaN 功率開(kāi)關(guān)器件。在高溫歐姆退火之前，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面無(wú)保護(hù)層，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)高溫歐姆退火后器件表面出現(xiàn)較厚氧化層，同時(shí)產(chǎn)生和氧化層厚度相近的N 空位層[12]。而高溫生長(zhǎng)的PECDV-SiNx可在高溫歐姆退火前進(jìn)行鈍化，有效保護(hù)了GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的表面。對(duì)比高溫生長(zhǎng)的PECDV-SiNx與低溫生長(zhǎng)的PECDV-SiNx鈍化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，高溫生長(zhǎng)的PECDV-SiNx形成的鈍化層能有效保護(hù)GaN 功率開(kāi)關(guān)器件，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件經(jīng)過(guò)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(zhǎng)的PECDV-SiNx材料能減少GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的工藝玷污狀況，防止形成氮空位，減少再氧化過(guò)程的出現(xiàn)[13]。

但對(duì)比高溫LPCVD-SiNx鈍化技術(shù)和極值PEALD-AlN 鈍化技術(shù)發(fā)現(xiàn)，高溫LPCVD-SiNx鈍化技術(shù)中沒(méi)有RPP 原位處理過(guò)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(kāi)關(guān)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(shù)之前，應(yīng)先去氧化層處理和氮化處理高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面，原位低損傷處理高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件，可有效抑制高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件中出現(xiàn)的高壓電流坍塌。

1.2 磷粒子注入對(duì)器件導(dǎo)通電阻的影響

通過(guò)采用上述鈍化技術(shù)，在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件界面層形成一層鈍化層，抑制了GaN 功率開(kāi)關(guān)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(dǎo)通電阻退化能力，應(yīng)在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電極附近注入磷離子，在器件表面形成掩膜，實(shí)現(xiàn)N 層重?fù)诫s[14]。GaN 功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(shè)定為相同數(shù)值，此時(shí)電極附近較大的體電阻對(duì)GaN 功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻的影響最大。高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的主要組成部分是歐姆接觸，影響GaN 功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻的最大因素是觸發(fā)能量數(shù)值。當(dāng)在GaN功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)器件附近的體電阻。當(dāng)觸發(fā)能量較低時(shí)，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻能處于較低的水平，降低高性能GaN 功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻與出發(fā)能量之間的相關(guān)度，改善器件導(dǎo)通電阻退化能力高性能，提升GaN 功率開(kāi)關(guān)器件整體性能。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 極值性PEALD-AlN 鈍化前后電流坍塌特性

為驗(yàn)證采用極值性PEALD-AlN 鈍化技術(shù)處理后GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌特性是否增強(qiáng)，對(duì)比了未鈍化、RPP 處理但未鈍化和鈍化后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌效應(yīng)能力，其中，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件柵長(zhǎng)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(zhǎng)4 μm，其三段擊穿電壓為900 V。GaN 功率開(kāi)關(guān)器件如圖3 所示。

圖3 GaN 功率開(kāi)關(guān)器件Fig.3 GaN power switching device

對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，當(dāng)從高壓態(tài)向低壓態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)極值性PEALD-AlN 鈍化后，GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌效應(yīng)能力較好；當(dāng)柵壓逐漸降低，經(jīng)過(guò)極值性PEALD-AlN 鈍化后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電流幾乎無(wú)明顯變化，表示PEALD-AlN 鈍化后的GaN功率開(kāi)關(guān)器件能夠抗高壓導(dǎo)通電阻退化，阻止在高壓狀況下GaN 功率開(kāi)關(guān)器件中導(dǎo)通電阻的增長(zhǎng)。極值性PEALD-AlN 鈍化實(shí)驗(yàn)流程如圖5 所示。

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

圖5 極值性PEALD-AlN 鈍化實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Experimental process of extreme PEALD-AlN passivation

通過(guò)PEALD 沉積技術(shù)，外延AIN 鈍化GaN 基器件表面，將高壓關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換為低壓開(kāi)態(tài)，測(cè)量PEALD-AlN 電流的降低程度，從而可了解GaN 功率開(kāi)關(guān)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(yàn)高溫LPCVD-SiNx鈍化后GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌特性是否增強(qiáng)，對(duì)比了鈍化前和鈍化后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌特性，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鈍化前后GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抑制高壓電流坍塌特性對(duì)比Fig.6 Comparison of high-voltage current collapse suppression characteristics of GaN power switching devices before and after passivation

從圖6 對(duì)比結(jié)果可以看出，在（-4，55）V 的測(cè)試條件下，電流坍塌特性從16.3%降低到5.89%，說(shuō)明本文方法鈍化后GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電流坍塌特性降低，有效解決了高壓動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化問(wèn)題。

2.3 有無(wú)磷離子注入GaN 功率開(kāi)關(guān)器件性能對(duì)比

為檢驗(yàn)注入磷離子后GaN 功率開(kāi)關(guān)器件性能，統(tǒng)計(jì)分析了有、無(wú)磷離子注入時(shí)導(dǎo)通電阻的變化情況。有無(wú)磷離子注入對(duì)歐姆電阻的影響結(jié)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(dǎo)通電阻成反比，觸發(fā)能量越大，導(dǎo)通電阻越小。在無(wú)磷離子注入的狀況下，隨著觸發(fā)能量的變化，導(dǎo)通電阻波動(dòng)較大；而本文方法中將磷離子注入GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電極附近后，隨著觸發(fā)能量的增加，導(dǎo)通電阻變化較小，導(dǎo)通電阻最小值為3.16 Ω/mm。說(shuō)明磷離子注入后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻優(yōu)于無(wú)磷離子注入的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻，采用本文方法制作的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件效果較好。

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

2.4 GaN 功率開(kāi)關(guān)器件靈敏度對(duì)比

為檢驗(yàn)本文方法處理后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件性能，對(duì)比了本文方法、二分法和能帶調(diào)制方法，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 靈敏度測(cè)試用時(shí)對(duì)比結(jié)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(guò)本文方法處理后的GaN 功率開(kāi)關(guān)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(shí)為8.54 ms，即經(jīng)過(guò)本文方法處理后的GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抗高壓能力較強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

由于GaN 材料具有低導(dǎo)通電阻、高臨界電場(chǎng)、高載流子遷移率等特性，使GaN 功率開(kāi)關(guān)器件具有較高性能。為提升GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抗高壓動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化能力，采用多次鈍化技術(shù)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(shù)獲取鈍化層，提升GaN 功率開(kāi)關(guān)器件抗?jié)裥?，同時(shí)將獲取的鈍化層進(jìn)行復(fù)合處理，根據(jù)復(fù)合鈍化層的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高壓狀況下增強(qiáng)型和耗盡型GaN 功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)單片集成器件的目的，降低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化能力。其次，去氧化層處理和氮化處理GaN 功率開(kāi)關(guān)器件表面，原位低損傷處理GaN 功率開(kāi)關(guān)器件，再采用高溫LPCVD-SiNx鈍化技術(shù)，有效地抑制GaN 功率開(kāi)關(guān)器件中出現(xiàn)的高壓電流坍塌。最后，在GaN 功率開(kāi)關(guān)器件電極附近注入磷離子，在器件表面形成掩膜，實(shí)現(xiàn)N 層重?fù)诫s，改善GaN 功率開(kāi)關(guān)器件的歐姆特性，提升器件的抗導(dǎo)通電阻退化能力。通過(guò)上述過(guò)程可提升器件抗高壓動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化能力，改善器件的整體性能。