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(lái)發(fā)展勢(shì)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(mén)研究對(duì)象[1]。目前開(kāi)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(lèi)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(duì)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(wú)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(gè)耗盡型GaN HEMT器件以來(lái)，由于該器件在無(wú)外加偏置電壓情況下會(huì)引起較大的導(dǎo)通電阻和較高的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)還需要額外的負(fù)偏置電壓來(lái)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(kāi)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(kāi)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(duì)象。實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件的關(guān)鍵在于通過(guò)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(shì)壘AlGaN/GaN HEMT器件[5]以來(lái)，研究者們通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiàn)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(shì)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(shì)和缺陷，分別對(duì)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(lái)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(shì)，針對(duì)如何制造出性能優(yōu)良的增強(qiáng)型GaN HEMT器件的問(wèn)題，目前提出的幾種常見(jiàn)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(duì)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(lái)逐漸發(fā)展成為商用主流技術(shù)之一。此類(lèi)增強(qiáng)型器件通過(guò)在AlGaN勢(shì)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(jí)提升至費(fèi)米能級(jí)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(kāi)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(jí)之差，d為AlGaN勢(shì)壘厚度，φB為肖特基勢(shì)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(wú)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(shí)也面臨著柵控能力減弱、寄生電容增加等問(wèn)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(guò)一定手段對(duì)柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處一定厚度的勢(shì)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(shí)利用肖特基接觸產(chǎn)生的電場(chǎng)，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(shì)壘層導(dǎo)帶能級(jí)下降不足導(dǎo)致二維勢(shì)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(guò)程中引入的刻蝕損傷及界面態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響此類(lèi)器件的性能可靠性，盡管這種影響可通過(guò)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(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

采用Cascode級(jí)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(chǎng)。作為一種Si基功率器件向純GaN基功率器件的過(guò)渡技術(shù)，傳統(tǒng)的Cascode FET采用Si基MOSFET和常開(kāi)耗盡型GaN HEMT器件聯(lián)接，然后將它們封裝在一起，而對(duì)外整體呈現(xiàn)為增強(qiáng)型。圖3是其相應(yīng)級(jí)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(shí)Si基MOSFET的柵極閾值電壓作為整個(gè)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(jí)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(wèn)題，在耐高溫和小型化設(shè)計(jì)方面遠(yuǎn)不及非級(jí)聯(lián)的增強(qiáng)型GaN基HEMT器件，限制了其未來(lái)進(jìn)一步的應(yīng)用。

2.4 氟離子處理技術(shù)及減薄勢(shì)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(guò)一定技術(shù)對(duì)柵下AlGaN勢(shì)壘層注入一定劑量及能量的氟離子。由于氟離子對(duì)外整體呈現(xiàn)負(fù)電性，進(jìn)入到AlGaN勢(shì)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(shì)壘層勢(shì)壘高度的同時(shí)，提高了異質(zhì)結(jié)界面處的導(dǎo)帶能級(jí)，當(dāng)導(dǎo)帶能級(jí)底部超過(guò)費(fèi)米能級(jí)時(shí)，該異質(zhì)結(jié)處的二維勢(shì)阱消失，進(jìn)而使柵下溝道中的2DEG耗盡，達(dá)到正向移動(dòng)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(shí)，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(huì)形成大量的空態(tài)及界面態(tài)，對(duì)勢(shì)壘層造成損傷，會(huì)使閾值電壓的穩(wěn)定性變差[15]。

減薄勢(shì)壘層法通過(guò)改變AlGaN勢(shì)壘層的厚度d，使勢(shì)壘層的極化電荷密度降低，當(dāng)降低至一定值時(shí)，溝道便不會(huì)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(shì)壘層后，因勢(shì)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(jí)以上，使原本存在的二維勢(shì)阱消失，從而耗盡2DEG，實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型工作。減薄勢(shì)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(jí)，d1代表常規(guī)GaN HEMT器件中AlGaN勢(shì)壘層的厚度，d2代表薄勢(shì)壘GaN HEMT器件中AlGaN勢(shì)壘層的厚度。雖然薄勢(shì)壘形成的增強(qiáng)型器件避免了由凹柵刻蝕帶來(lái)的損傷和界面態(tài)，但傳統(tǒng)的薄勢(shì)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(wèn)題。

圖4 氟離子注入型器件結(jié)構(gòu)及D型與薄勢(shì)壘器件能帶對(duì)比

3 增強(qiáng)型GaN HEMT器件的最新進(jìn)展

近幾年來(lái)，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(shí)相關(guān)的商業(yè)產(chǎn)品也在不斷推出，這里對(duì)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(lái)，國(guó)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(guò)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(guò)程中移除了不需要的p-GaN帽層，最大程度上減少了對(duì)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(shí)，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(shí)靜態(tài)導(dǎo)通電阻降低至17.3 Ω·mm，其開(kāi)關(guān)電流比及擊穿電壓分別達(dá)到1.2×106和426 V。

針對(duì)傳統(tǒng)的p-GaN層形成的增強(qiáng)型器件擊穿電壓較低的問(wèn)題，一般通過(guò)各種場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)提高擊穿電壓。2019年JIANG等人[17]通過(guò)設(shè)計(jì)T型柵接觸場(chǎng)板和減少金屬/p-GaN接觸外沿，使該器件不僅通過(guò)抑制AlGaN表面附近p-GaN邊沿的電場(chǎng)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(duì)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(shí)，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(kāi)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(zhǎng)度，LGFP為漏極方向的柵場(chǎng)板長(zhǎng)度，LGD為柵漏間距，圖6（b）為有無(wú)T型場(chǎng)板的電場(chǎng)分布對(duì)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(guò)使用源場(chǎng)板和柵場(chǎng)板的雙場(chǎng)板組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)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(shí)結(jié)合NH3等離子體處理還顯著降低了該器件的動(dòng)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(jì)得足夠小時(shí)，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(shí)，器件性能達(dá)到最優(yōu)，導(dǎo)通電阻低至11.54 Ω·mm的同時(shí)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(wú)場(chǎng)板的電場(chǎng)分布對(duì)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(guò)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(zhǎng)，在保持此前報(bào)道的閾值電壓、亞閾值擺幅等性能參數(shù)的同時(shí)，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(shí)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(wèn)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(guò)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(duì)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(wèn)題，一般都是通過(guò)沉積各種不同的柵介質(zhì)及改進(jìn)生長(zhǎng)工藝來(lái)降低損傷及界面態(tài)帶來(lái)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(kāi)/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(zhǎng)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(shì)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(guò)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(duì)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(lái)的影響，當(dāng)柵漏間距LGD=5 μm時(shí)，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(shí)，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(guò)使用ZrOx電荷捕獲層來(lái)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(zhǎng)的單片集成技術(shù)設(shè)計(jì)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(cè)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(zhǎng)的方式對(duì)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(duì)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(wèn)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(kāi)關(guān)損失及良好的閾值電壓均勻性（2.0～2.2 V），同時(shí)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(duì)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

圖10 轉(zhuǎn)移印刷和自對(duì)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(huì)帶來(lái)兩者本征電容不匹配及增強(qiáng)寄生電感問(wèn)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(shí)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(shì)壘層及其他方法

雖然用氟處理技術(shù)及減薄AlGaN勢(shì)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(guò)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(shì)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(guò)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(guò)兩步氟處理進(jìn)一步提高了勢(shì)壘層中的氟離子濃度，使得勢(shì)壘層導(dǎo)帶更大地向上彎曲，增大了背勢(shì)壘高度，減少了柵泄漏電流，而沉積向柵極延伸一定長(zhǎng)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(shí)，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(guò)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(shí)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(shí)間的退火，溝道中的電子會(huì)隧穿進(jìn)入勢(shì)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(dòng)。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(guò)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?，Vd為所加漏電壓，Vs為所加源電壓，圖11（b）中Ev代表價(jià)帶頂。

在薄勢(shì)壘研究方面，2019年HAN等人[30]通過(guò)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(shì)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(kāi)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(guò)在增強(qiáng)型薄勢(shì)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(chǎng)分布和BFOM，經(jīng)調(diào)整LCCT的刻蝕長(zhǎng)度和寬度，與傳統(tǒng)薄勢(shì)壘GaN HEMT器件相比，其電場(chǎng)峰值降低了2.8 MV/mm，同時(shí)使LCCT下的電場(chǎng)分布更平坦，其BFOM更是傳統(tǒng)薄勢(shì)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(wú)LCCT的電場(chǎng)分布，其中LT代表LCCT長(zhǎng)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(wú)LCCT的電場(chǎng)分布[31]

為了對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)場(chǎng)板設(shè)計(jì)后的擊穿電壓），不難想象未來(lái)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(jì)及先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)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(jì)水準(zhǔn)、提高器件可靠性及不斷推進(jìn)各類(lèi)增強(qiáng)型器件的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chē)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(shí)穩(wěn)定連續(xù)工作而閾值電壓不會(huì)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(dòng)，且能與標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器兼容。2021年末，意法半導(dǎo)體宣布推出2個(gè)GaN功率半導(dǎo)體新產(chǎn)品系列“G-HEMT”和“G-FET”?！癎-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(kāi)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(gè)系列產(chǎn)品的推出將使消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品和車(chē)載裝置等的電源實(shí)現(xiàn)更高效率和小型化的設(shè)計(jì)。

在數(shù)字電路領(lǐng)域，盡管ZHENG等人[32]通過(guò)在同一襯底上集成n溝道及p溝道FET構(gòu)成GaN CL，并對(duì)由GaN CL組成的反相器、部分基本邏輯門(mén)及多級(jí)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(jià)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(chǎng)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(guò)改進(jìn)刻蝕工藝、運(yùn)用再生長(zhǎng)技術(shù)及研究新結(jié)構(gòu)是改善這些問(wèn)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(yǔ)

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(jì)增強(qiáng)型GaN HEMT器件時(shí)，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(duì)性能良好的GaN基CL的研究也任重道遠(yuǎn)。本文通過(guò)對(duì)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(jià)值的參考。