黃火林，孫楠

（大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024）

1 引言

近年來，全球變暖，環(huán)境污染加劇，全球能源危機日益嚴(yán)重，為了緩解節(jié)能減排的壓力，工業(yè)界要求盡可能減小電能轉(zhuǎn)化過程中的損耗。當(dāng)下的中美貿(mào)易爭端以及發(fā)達國家對我國的技術(shù)封鎖迫使我國需盡快發(fā)展自有的半導(dǎo)體技術(shù)，這也是《中國制造2025》、“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要等國家戰(zhàn)略規(guī)劃的核心內(nèi)容之一。這些時代背景為具有高效節(jié)能特點的第三代半導(dǎo)體材料提供了快速發(fā)展的良機。

從材料選擇角度來看，以第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）為代表的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和超結(jié)器件的發(fā)展已經(jīng)接近其材料極限，這就要求尋找具有更寬帶隙等特性的新一代半導(dǎo)體材料。目前，在第三代半導(dǎo)體材料中，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的發(fā)展較為成熟，且材料本身具有大的臨界擊穿電場、耐高溫和抗輻照等特點，所以更適合制作電力電子器件[1-3]。目前，SiC在高壓（高于1200 V）市場占據(jù)明顯優(yōu)勢，但在功率轉(zhuǎn)換和高頻工作方面，GaN具有更加明顯的優(yōu)勢。GaN轉(zhuǎn)換器的低損耗歸因于其低的開關(guān)損耗，這是由于GaN相比于SiC具有更好的電子傳輸能力。沿Ga面方向外延生長的結(jié)構(gòu)存在較強的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，這會導(dǎo)致在GaN材料的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（典型如AlGaN/GaN）界面處產(chǎn)生高濃度的二維電子氣（2DEG），因此GaN器件具有更低的導(dǎo)通電阻。通過對比Si、砷化鎵（GaAs）、SiC、GaN半導(dǎo)體材料的綜合性能（即約翰遜優(yōu)值），可以發(fā)現(xiàn)GaN材料的整體性能相對較高。因此，在相同耐壓等級下，GaN材料更適合制作高效的電力電子器件，特別是橫向結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管（HEMT），其導(dǎo)通電阻比Si器件的導(dǎo)通電阻低1～2個數(shù)量級，與同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC器件相比，其導(dǎo)通電阻減小1/2～1/3[4-5]。

從器件結(jié)構(gòu)看，GaN器件分為縱向和橫向結(jié)構(gòu)?？v向結(jié)構(gòu)的器件需要用到GaN自支撐襯底，而目前來看，GaN自支撐外延片的成本較高，且GaN自支撐襯底的外延片尺寸較小，這就使得單個器件的成本更高。同時GaN縱向結(jié)構(gòu)的器件并沒有利用到GaN材料最大的優(yōu)勢——2DEG，而橫向結(jié)構(gòu)的器件則能很好地利用到這一特點。橫向器件從開關(guān)類型看，分為耗盡型（常開型，D-mode）和增強型（常關(guān)型，E-mode）器件。由于AlGaN/GaN界面會產(chǎn)生高電子濃度（約1013cm-2·eV-1）、高遷移率[約2000 cm2/（V·s）]的2DEG，傳統(tǒng)的GaN HEMT是耗盡型的，即器件柵極在零偏壓下溝道中仍然存在高濃度的2DEG，使器件處于開啟狀態(tài)。而增強型器件在柵極零偏壓時可以耗盡柵下溝道中的2DEG，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。增強型器件也因此具有安全、節(jié)能和能簡化電路設(shè)計等方面的優(yōu)勢，是未來功率器件的重要發(fā)展方向。

從市場應(yīng)用角度來看，以耐受電壓600～1200 V為界，低于600 V的市場以GaN為主，主要面向消費類電子領(lǐng)域，這是目前GaN材料切入市場的最主要突破口。600～1200 V這一區(qū)間是GaN與SiC共存的領(lǐng)域，其主要應(yīng)用在電動汽車（EV）與混合動力汽車（HEV）的轉(zhuǎn)換器以及可再生能源的逆變器中。高于1200 V的市場以SiC為主，未來GaN材料的晶體質(zhì)量若能進一步提高，體材料的缺陷密度進一步減小，或縱向結(jié)構(gòu)的GaN器件技術(shù)成熟度提高，其也會在高電壓市場中展現(xiàn)出更強大的競爭力。到目前為止，GaN材料通常通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法在Si、藍寶石或SiC的襯底上生長。對于電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用，在Si襯底上制造的GaN HEMT最為常見，這是由于其具有成本效益較高的大尺寸晶圓和良好的導(dǎo)電性能。因此從成本角度考慮，大面積Si基GaN材料更具優(yōu)勢。此外，Si基GaN器件還可以與成熟的Si金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）工藝流程兼容，以進一步降低大規(guī)模生產(chǎn)的加工成本。GaN HEMT作為平面器件，制作工藝相對簡單，原材料和基礎(chǔ)工藝可以依托我國現(xiàn)有龐大的發(fā)光二極管（LED）照明產(chǎn)業(yè)，因此更容易實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。實際上，Si基GaN器件目前已在消費類電子、車載電子市場中異軍突起。

綜上所述，從材料、器件結(jié)構(gòu)、市場幾個方面考慮，GaN增強型HEMT器件具有重要的戰(zhàn)略研究意義。從基礎(chǔ)科研到產(chǎn)業(yè)化，有若干個重要指標(biāo)可以評估GaN增強型HEMT器件的性能，典型的有擊穿電壓VB、閾值電壓Vth、開態(tài)電阻Ron、飽和電流密度IDS、柵耐壓、閾值電壓滯回等。本文回顧了一系列增強型器件的實現(xiàn)方案，著重介紹了基于柵凹槽結(jié)構(gòu)的功率器件技術(shù)方案以及若干重要工藝，并提出了未來可能的技術(shù)方案。

2 GaN基HEMT功率器件的技術(shù)方案與進展

以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)的HEMT自20世紀(jì)90年代末期就受到了研究者們的青睞，到了21世紀(jì)初期，該類型晶體管已經(jīng)在射頻器件領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且在當(dāng)下5G通訊領(lǐng)域中被廣泛使用。國內(nèi)高校自2010年起掀起GaN基功率器件的研究熱潮。近年來，隨著國內(nèi)外多家企業(yè)推出200 V/600 V/650 V的GaN產(chǎn)品，GaN功率器件的研發(fā)也進入了快速發(fā)展階段。

2.1 耗盡型HEMT器件

由于耗盡型HEMT器件的柵極無需復(fù)雜的特殊加工工藝，所以器件技術(shù)成熟較早，隨著制作工藝的不斷完善，器件的導(dǎo)通電流、擊穿電壓、特征電阻等關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)取得較為理想的結(jié)果，GaN D-mode HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，耗盡型GaN HEMT在產(chǎn)業(yè)界面臨的可靠性問題主要有電流崩塌、硬開關(guān)模式下閾值電壓的漂移等，這些可靠性問題與場板的設(shè)計、柵介質(zhì)層的選擇、GaN緩沖層的設(shè)計和鈍化層材料的選擇等有關(guān)，需要對器件的制作工藝細節(jié)進一步優(yōu)化，以提高器件的可靠性。

圖1 GaN D-mode HEMT器件結(jié)構(gòu)

耗盡型與增強型器件的區(qū)別在于器件的閾值電壓是否大于0 V，這主要與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生的高電子濃度、高遷移率的2DEG有關(guān)。由于耗盡型器件在實際應(yīng)用中的靜態(tài)功耗與安全問題，增強型器件更適用于功率電子領(lǐng)域，而器件的柵極工藝與結(jié)構(gòu)的設(shè)計是HEMT器件能否實現(xiàn)增強型操作的關(guān)鍵。

2.2 增強型HEMT器件

實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件操作的方法有幾種，主要是基于耗盡/減弱AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的極化電荷來實現(xiàn)的。幾種實現(xiàn)增強型操作的主流方案包括凹柵結(jié)構(gòu)、氟化柵結(jié)構(gòu)和p-GaN插入層結(jié)構(gòu)。除此之外，共源共柵級聯(lián)（cascode）結(jié)構(gòu)、薄勢壘結(jié)構(gòu)（UTB）和縱向短溝道結(jié)構(gòu)（VG-HEMT）也可以實現(xiàn)器件的增強型操作。幾種實現(xiàn)增強型操作的器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 幾種實現(xiàn)增強型操作的器件結(jié)構(gòu)

2.2.1 基于凹柵結(jié)構(gòu)的增強型HEMT器件

凹柵結(jié)構(gòu)的增強型HEMT器件的特點在于柵區(qū)勢壘層的刻蝕，一般采用干法刻蝕或濕法腐蝕技術(shù)將柵極區(qū)域的AlGaN勢壘層刻蝕掉，通過減弱異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng)，使得柵區(qū)下方溝道中的2DEG濃度降低到一定值，使得在柵極電壓為0 V時溝道被夾斷。一般情況下，在柵極金屬與AlGaN勢壘層之間會生長一層絕緣的介質(zhì)層來確保柵極泄漏電流在器件工作時可以維持在相對較低的范圍內(nèi)，同時還可以提高器件柵極耐壓，使器件柵極驅(qū)動電壓范圍變大。該結(jié)構(gòu)器件的優(yōu)勢在于其柵極驅(qū)動電路較為簡單，并且可以通過調(diào)整柵介質(zhì)層的厚度來調(diào)節(jié)器件的柵耐壓。基于凹柵結(jié)構(gòu)器件閾值電壓的提升與導(dǎo)通電阻的降低存在相互制約的關(guān)系，如何平衡2個參數(shù)之間的關(guān)系是該結(jié)構(gòu)器件所關(guān)注的重點問題之一。

柵區(qū)勢壘層的刻蝕往往會引入界面態(tài)，對器件性能造成不良影響，同時刻蝕精度的控制也會影響器件的閾值電壓和導(dǎo)通電阻。為解決這一問題，國內(nèi)外的研究者們提出了很多的方案。LIN等人使用650℃高溫?zé)嵫趸夹g(shù)將柵區(qū)勢壘層表面的AlGaN全部氧化，然后將樣品浸泡在KOH溶液中，腐蝕掉被氧化的AlGaN層[6]。該技術(shù)利用了GaN和AlGaN易氧化的特性，其優(yōu)勢在于可以確保剛好將AlGaN勢壘層刻蝕完全而不會過度刻蝕，且柵區(qū)界面的損傷較小，其缺點在于速率較慢且不適合應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。北京大學(xué)的研究者使用先氧化再濕法腐蝕的方案制作了具有凹柵結(jié)構(gòu)的增強型HEMT器件，由于柵區(qū)溝道的刻蝕損傷小，器件的導(dǎo)通電阻很低，同時器件的閾值電壓達到2 V以上，耐壓超過1000 V[7-8]。日本福井大學(xué)的研究者報道了一種先刻蝕勢壘層、再二次生長AlGaN的技術(shù)，采用該方案的器件閾值電壓高達2.3 V，飽和電流達425 mA/mm，并且展現(xiàn)出比較大的潛力[9]。中山大學(xué)的研究者在柵區(qū)外二次生長AlGaN勢壘層，制作了增強型HEMT器件，由于該技術(shù)溝道損傷小，器件獲得了3.5 V的閾值電壓和550 mA/mm的飽和電流[10-11]。韓國的IM等人提出了利用四甲基氫氧化銨做柵區(qū)腐蝕溶液的技術(shù)方案，獲得的器件閾值電壓可達3.5 V[12]。美國弗州理工大學(xué)的MA等人采用柵區(qū)分區(qū)域刻蝕的技術(shù)，使柵區(qū)形成多孔Tri-gate結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)增強型器件的基礎(chǔ)上減少了柵區(qū)的刻蝕面積，同時柵區(qū)的刻蝕區(qū)域還能對非刻蝕區(qū)域進行耗盡，在保證輸出電流的情況下減少柵極邊緣高電場的分布區(qū)域，在柵極零偏置的情況下達到2000 V的擊穿電壓[13]。大連理工大學(xué)HUANG團隊在GaN凹柵增強型HEMT器件工藝和可靠性研究方面同樣開展了大量的工作，研制的6英寸Si基GaN器件獲得了2.5 V的閾值電壓和600～900 V的耐壓，并且從理論和實驗層面揭示了器件缺陷態(tài)分布、應(yīng)力下的電學(xué)參數(shù)模型和演變規(guī)律。

凹柵結(jié)構(gòu)一般都會使用金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）/金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)，這能夠使器件柵極具有更大的安全工作范圍和更低的泄漏電流。然而MIS/MOS結(jié)構(gòu)的器件閾值電壓的穩(wěn)定性較差，這主要是由介質(zhì)層/半導(dǎo)體界面的電荷和陷阱引起的。有報道稱在氧化物/三族氮化物界面處的界面陷阱密度Dit較高，這會導(dǎo)致柵泄漏電流的增加和閾值電壓的不穩(wěn)定。因此，為追求高性能的GaN HEMT器件，柵槽的界面態(tài)與介質(zhì)層的質(zhì)量是重要的指標(biāo)。

在柵區(qū)勢壘層的減薄過程中，雖然對減薄工藝的優(yōu)化可以減少對界面的損傷，但仍不可避免地會引入界面態(tài)，這對器件閾值電壓和2DEG的遷移率都會造成不良的影響，在柵槽形成后引入界面處理工藝可以降低界面態(tài)。為降低界面態(tài)，對界面的處理方案主要分為氧化和氮化2種。西安電子科技大學(xué)的研究者使用N2O氧化柵區(qū)刻蝕后的界面，得到的器件閾值電壓為1.5 V、亞閾值擺幅（SS）為70 mV/dec[14]。北京大學(xué)的研究者報道了在通過低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法生長氮化硅（Si3N4）之前使用N2O處理柵區(qū)刻蝕后的界面，抑制在LPCVD生長過程中的高溫退化，制作的器件界面態(tài)降低，其飽和輸出電流提高了3倍，達到607 mA/mm，在輸出電流為0.1 mA/mm處提取的閾值電壓為1.2 V，器件擊穿電壓達到1348 V[15]。香港科技大學(xué)的研究者使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）法制作Si3N4和LPCVD-Si3N4的組合，利用PECVD生長溫度較低的特性將高可靠性的LPCVDSi3N4與凹柵結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制作出了高穩(wěn)定性和高可靠性的增強型器件，制備的器件閾值電壓為2.37 V，同時器件具有高的熱穩(wěn)定性、長時間依賴的柵介質(zhì)層擊穿壽命[16]。南方科技大學(xué)的研究者將凹柵結(jié)構(gòu)的GaN（禁帶寬度Eg約為3.4 eV）溝道轉(zhuǎn)換為晶體GaON（Eg≈4.1 eV）層，來提高器件反向偏壓應(yīng)力下閾值電壓的穩(wěn)定性和柵可靠性。結(jié)晶的GaON是通過將刻蝕后的柵槽進行氧化、然后在LPCVD腔體中進行780℃NH3氛圍的原位退火形成的。GaON晶體與GaN之間的價帶偏移量大約為0.6 eV，這會在柵周圍形成一個由空穴組成的勢壘，該勢壘能夠阻止空穴向柵極一側(cè)流動，從而降低空穴誘導(dǎo)的柵介質(zhì)層的退化[17-18]。香港科技大學(xué)的研究者使用低損傷的NH3-Ar-N2原位等離子體預(yù)處理（RPP），得到了高質(zhì)量的Al2O3（AlN）/GaN界面，使用C-V表征技術(shù)提取到低的Dit（1012～1013cm-2·eV-1）。此方案中NH3-Ar等離子體預(yù)處理的目的是去除表面氧化物，N2等離子體預(yù)處理的目的是在GaN表面形成氮化層[19]。

2.2.2 基于p-GaN插入層結(jié)構(gòu)的增強型HEMT器件

p-GaN插入層結(jié)構(gòu)同樣是一種實現(xiàn)HEMT器件增強型操作的方案，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以排除柵介質(zhì)層對器件的影響，而其典型劣勢源于p-GaN和下方AlGaN形成的p-n結(jié)，該p-n結(jié)在柵極施加正電壓超過某一閾值時會正向開啟，進而導(dǎo)致柵極電流增加，造成器件失效。因此需要對該結(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動電路設(shè)計額外的保護電路，防止柵極電流過大。此外，目前p-GaN層仍然需要通過向GaN中摻入Mg來實現(xiàn)p型摻雜，其本身需要很高的激活溫度，但激活率很低，晶格損傷極為嚴(yán)重。在后續(xù)的器件工藝加工中，一旦器件暴露在高溫（高于500℃）的空氣中，Mg原子會和空氣中的H原子形成Mg—H鍵，降低p-GaN層的空穴濃度，從而影響器件的閾值電壓。此外，柵極區(qū)域外的p-GaN需要被刻蝕掉，因此其他區(qū)域的AlGaN勢壘層上表面可能會引入刻蝕損傷，降低2DEG濃度，同時柵區(qū)下方p-GaN的側(cè)壁也可能成為漏電途徑。

p-GaN HEMT的發(fā)展已經(jīng)超過十年。2007年，UEMOTO等人首次提出了p型柵極HEMT的概念，并且制作出閾值電壓為1.0 V、導(dǎo)通電流約為200 mA/mm的晶體管[20]。該技術(shù)的勢壘層厚度一直是研究者們關(guān)注的重點。一方面，該類器件需要一定厚度的AlGaN勢壘層去維持2DEG的濃度；另一方面，AlGaN勢壘層太厚又會拉低器件的閾值電壓。從近些年的研究成果來看，AlGaN勢壘層厚度一般需要維持在10～15 nm，Al組分維持在15%～20%，這樣易于形成增強型器件。此外，EFTHYMIOU等人進一步研究發(fā)現(xiàn)，p-GaN層的摻雜濃度在超過1018cm-3后才可以有效地對柵區(qū)進行耗盡。另一個值得關(guān)注的點是柵極金屬功函數(shù)和器件閾值電壓之間的關(guān)系，使用肖特基結(jié)制作柵極更易于獲得更高的閾值電壓和更低的柵極漏電流。GRECO等人發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)低功函數(shù)的Ti/Al金屬疊層作為柵極電極材料，其閾值電壓可以達到1.5 V，但隨著器件在不同溫度下的退火，其肖特基勢壘高度在逐步降低，并且會出現(xiàn)閾值電壓負漂、柵極泄漏電流增大等現(xiàn)象。為了避免柵極勢壘高度的退化，應(yīng)該在器件后續(xù)的加工工藝中避免高溫環(huán)境[21]。POSTHUMA等人報道了利用TiN制作的器件柵電極，其閾值電壓可以達到2.1 V[22]。而LUKENS等人報道了一種“先柵”的自對準(zhǔn)工藝，使用金屬Mo同時作為刻蝕掩模層和柵極金屬，實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在經(jīng)過825℃的高溫退火后，勢壘沒有出現(xiàn)退化現(xiàn)象[23]。

2.2.3 基于cascode結(jié)構(gòu)的增強型器件

級聯(lián)技術(shù)是實現(xiàn)增強型操作的一個重要技術(shù)路線，其將一個Si MOS管與一個耗盡型的GaN基HEMT采用共源共柵的方式連接。器件整體外接的D為HEMT的漏極，外接的S為MOS管的源極與HEMT的柵極，外接的G為MOS管的柵極，MOS管的漏極與HEMT的源極相接。當(dāng)G端施加電壓大于MOS管的閾值電壓時，MOS管導(dǎo)通，其源、漏2端產(chǎn)生較大電流，并且2端的壓降可以忽略。同時，這意味著HEMT的源、柵2端電壓也近似相等，即柵壓為0 V，耗盡型HEMT導(dǎo)通。因此任何施加在器件D端的電信號都會產(chǎn)生一個電流，通過由HEMT與MOS管串聯(lián)的電路，器件整體導(dǎo)通。同理，當(dāng)G端施加電壓小于MOS管的閾值電壓時，MOS管關(guān)斷，其源、漏2端產(chǎn)生較大壓降，HEMT的源、柵2端的電壓差同樣明顯，HEMT中的柵壓小于閾值電壓，且小于0 V，耗盡型HEMT關(guān)斷，HEMT與MOS管相串聯(lián)的電路整體關(guān)斷。

級聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢在于其繞過了增強型HEMT的技術(shù)難點，采用現(xiàn)階段技術(shù)極為成熟的Si基MOS管來實現(xiàn)增強型操作。理論上，cascode晶體管所需的柵驅(qū)動與傳統(tǒng)Si MOS管一致，簡化了驅(qū)動電路的額外設(shè)計。但級聯(lián)技術(shù)的劣勢也極其明顯，它會增加后續(xù)封裝技術(shù)的復(fù)雜性；在高溫下，器件仍然受Si管性能的限制，GaN基HEMT的優(yōu)勢難以體現(xiàn)；由于2種晶體管的特殊連接方式，會形成cascode器件的內(nèi)部回路，增加器件內(nèi)部的寄生電感；由于Si管本身的電子遷移率較低，級聯(lián)晶體管很難在高于1 MHz的高頻應(yīng)用場景中使用。

近年來，cascode晶體管投入商用的產(chǎn)品已發(fā)展得較為成熟。以目前Transphorm公司推出的cascode類型的TPH3206PSB型號為例，它的電壓應(yīng)用等級在650 V，采用TO-220的封裝方式，其閾值電壓為2.1 V，開態(tài)電阻為180 mΩ，導(dǎo)通電流為16 A。為了改善Si材料對器件整體性能的影響，研究者們也嘗試用其他材料去代替Si。香港科技大學(xué)的研究者報道了基于SiC管與GaN基HEMT結(jié)合的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于利用SiC材料代替Si，進而可以提升器件的整體耐壓等級（達到1200 V），兼容相對高頻率的驅(qū)動并且具備更低的開關(guān)損耗，具有很大的發(fā)展空間[24]。總體來說，cascode技術(shù)易于實現(xiàn)，器件穩(wěn)定性高，是目前市場上最為成熟的增強型器件方案，但其劣勢同樣明顯，無法完全發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

2.2.4 其他增強型器件方案

氟化柵結(jié)構(gòu)的增強型HEMT的特點在于柵區(qū)勢壘層中的離子注入，一般情況下會注入氟離子。2005年，CAI等人首次提出使用氟化柵結(jié)構(gòu)的方案，同時采用熱退火技術(shù)改善等離子處理帶來的損傷，最終將器件的閾值電壓從-4 V增大到0.9 V，飽和電流為310 mA/mm[25]。2015年，ZHANG等人為了緩解氟離子注入時引起的柵極損傷，在AlGaN上使用LPCVD-SiN作為柵介質(zhì)層和能量吸收層來減小柵極損傷，最終得到了閾值電壓為3.3 V、飽和電流為200 mA/mm的器件[26]。

除了正常的凹柵結(jié)構(gòu)外，還有根據(jù)凹柵結(jié)構(gòu)演變而來的薄勢壘結(jié)構(gòu)的增強型HEMT器件。北京微電子所使用在外延上進行調(diào)整的GaN外延片，其AlGaN勢壘層僅有4 nm，在除柵區(qū)外的溝道層上方利用LPCVD生長的Si3N4來恢復(fù)2DEG濃度，而柵區(qū)上方由于僅有很薄的勢壘層，所以柵區(qū)下方的溝道中并未極化出很高濃度的2DEG。柵區(qū)暴露的AlGaN勢壘層使用等離子體增強原子層沉積（PEALD）的原位RPP技術(shù)進行界面處理，然后生長Si3N4作為柵介質(zhì)層。最終制備的器件提高了閾值電壓的穩(wěn)定性和最大輸出電流[27]。除此之外，VG-HEMT結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)HEMT器件的增強型操作，它通過將器件溝道的一部分轉(zhuǎn)化為縱向，由于縱向部分并無2DEG，所以器件在柵極零偏壓下處于關(guān)斷狀態(tài)。

3 器件制備

制備凹柵結(jié)構(gòu)HEMT器件的完整工藝流程如圖3所示，一般包括濕法清洗、光刻、干法刻蝕（濕法腐蝕）、金屬蒸鍍、退火處理、薄膜沉積等工藝。

圖3 制備凹柵結(jié)構(gòu)HEMT器件的工藝流程

主要流程有：（1）準(zhǔn)備具有相應(yīng)縱向耐壓能力的外延片；（2）通過有機、無機濕法處理去除樣片表面污染；（3）通過制造有源區(qū)來隔絕器件與器件之間的漏電；（4）制備源、漏電極，使之形成良好的歐姆接觸；（5）將柵區(qū)AlGaN勢壘層刻蝕/腐蝕到目標(biāo)深度；（6）沉積柵介質(zhì)層，介質(zhì)層沉積之前要保證柵槽界面質(zhì)量（平整度、界面態(tài)等），介質(zhì)層的目的是阻止柵極漏電、提高柵耐壓；（7）選擇蒸鍍具有適當(dāng)功函數(shù)的金屬，作為柵電極；（8）器件的鈍化及開口有利于器件的保存；（9）制作場板來分擔(dān)器件在高壓下的電場，減小高壓應(yīng)力下器件性能的退化。

3.1 外延

很多GaN HEMT都是異質(zhì)外延生長在異質(zhì)襯底上的，由于GaN和異質(zhì)襯底材料差異較大，在生長GaN時會產(chǎn)生高密度的位錯、凹坑和裂紋等。為利用MOCVD制備出高質(zhì)量的GaN外延結(jié)構(gòu)，引入幾種改進緩沖層結(jié)構(gòu)的方法，從而進一步提高GaN基HEMT的性能。

GaN HEMT在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用需要具有較高的垂直擊穿電壓，這主要依賴于外延GaN的厚度，但在較厚的GaN表層往往會出現(xiàn)嚴(yán)重的晶圓彎曲和裂紋。為解決這一問題，對GaN外延技術(shù)進行了一系列的優(yōu)化來提高外延質(zhì)量。首先，在Si襯底上低溫生長AlN成核層，這是一種有效的通過降低生長GaN時的應(yīng)力來提升臨界厚度的方式。在AlN成核層上是AlGaN應(yīng)力釋放層，在應(yīng)力釋放層中Al組分隨厚度的增加而減小。再向上是GaN外延緩沖層。一方面，由于外延層總厚度仍然較小，此時應(yīng)力未能完全釋放，緩沖層中仍然存在許多位錯和缺陷；另一方面，未經(jīng)摻雜的GaN呈弱n型，具有約1016cm-3的背景電子濃度，為了提高器件的垂直耐壓，一般會在緩沖層中進行補償摻雜，常用的摻雜劑有Mg、Fe、C等能夠形成受主的雜質(zhì)，使得緩沖層呈現(xiàn)近絕緣的狀態(tài)。近絕緣的緩沖層對抑制垂直漏電、提升器件耐壓具有非常重要的作用。然而，一般引入的受主雜質(zhì)多以深受主能級存在，受主電離能高，電離十分困難，電離率較低，因此即使GaN本身的背景電子濃度并不十分高，想要達到近絕緣的補償效果也需要摻入較高濃度的受主雜質(zhì)。緩沖層上是本征無故意摻雜的GaN溝道層、1 nm左右的AlN增強層和AlGaN勢壘層。其中，AlN增強層會使界面更加平整，同時能夠提升2DEG的濃度和遷移率。AlGaN勢壘層中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.2～0.4，厚度一般為20～30 nm。AlGaN勢壘層上方會有一層薄的GaN帽層，這是為了提升2DEG的遷移率，同時減小表面漏電。在它的上面可能會有一層為抑制電流崩塌而生長的鈍化層。

3.2 歐姆接觸

歐姆接觸的制備是GaN HEMT中不可或缺的重要組成部分，除光刻外還需用到金屬蒸鍍、金屬剝離、快速熱退火等工藝。理想的歐姆接觸呈現(xiàn)電阻特性，且電阻值越小效果越好，常常使用接觸電阻來衡量器件歐姆接觸的優(yōu)劣。值得注意的是：（1）金屬與半導(dǎo)體之間必然存在功函數(shù)失配；（2）AlGaN勢壘層本身的禁帶寬度很大；（3）非故意摻雜的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)摻雜濃度很低。三者共同決定了金-半接觸中的半導(dǎo)體一側(cè)將形成勢壘，因此如何降低該勢壘是歐姆接觸制備技術(shù)的關(guān)鍵。

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的歐姆接觸通常由Ti/Al/Ni/Au 4層金屬堆疊而成。在高溫退火后，底部第一層Ti金屬向下擴散，與N原子結(jié)合形成TiN，進而降低勢壘高度，同時在（Al）GaN中形成高濃度的N空位，作為淺施主雜質(zhì)形成歐姆接觸。第二層Al金屬在高溫退火過程中會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，加劇Ti金屬的擴散行為。第三層高熔點的Ni金屬用于阻止下層Al與上層Au之間的相互擴散。頂部的Au防止金屬電極被氧化。考慮到與成熟硅基生產(chǎn)線的兼容性，發(fā)展無金工藝的歐姆接觸是十分必要的。一些無金工藝的歐姆接觸方案如表1所示。

表1 無金工藝的歐姆接觸方案

表1中的凹槽代表歐姆接觸處的凹槽，通過將AlGaN/GaN刻蝕掉使2DEG直接與金屬電極接觸。為了保證良好的歐姆接觸性能，需要優(yōu)化刻蝕工藝。表1中接觸電阻使用傳統(tǒng)的傳輸線模型（TLM）來計算，該方法計算單個歐姆接觸電極的總阻值是準(zhǔn)確的，但是在進一步確定各電阻成分時有一定的誤差。例如電極下方半導(dǎo)體的方塊電阻與材料本身的方塊電阻，由此利用TLM模型推導(dǎo)出的比接觸電阻也具有一定的誤差。為了獲取各部分準(zhǔn)確的電阻值，大連理工大學(xué)研究團隊提出了電極對模型（EPM）以更好地解決上述問題[36]。

3.3 柵區(qū)工藝

3.3.1 凹槽柵結(jié)構(gòu)

基于凹柵結(jié)構(gòu)的增強型HEMT中柵區(qū)工藝尤為重要，例如柵介質(zhì)層的選擇、柵區(qū)AlGaN勢壘層的刻蝕與刻蝕后的界面處理等。基于凹柵結(jié)構(gòu)HEMT器件的閾值電壓和導(dǎo)通電阻之間的制約關(guān)系，一般情況下柵區(qū)AlGaN勢壘層在刻蝕后會剩余5 nm左右。器件截面與柵區(qū)勢壘層刻蝕后原子力顯微鏡（AFM）的掃描結(jié)果如圖4所示。由MOCVD方法生長的6英寸AlGaN/GaN（25 nm/4μm）異質(zhì)晶圓，其中AlGaN中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27，且在AlGaN表面原位生長了20 nm的Si3N4作為鈍化層。根據(jù)霍爾測試結(jié)果，得到異質(zhì)結(jié)界面處2DEG濃度大概為9×1012cm-2，對應(yīng)的遷移率為1800 cm2/(V·s)。歐姆接觸使用Ti/Al組合的無金工藝，根據(jù)TLM模型測試得到其接觸電阻為0.5Ω·mm。柵極到源極的距離LGS、柵長度LG、柵極到漏極的距離LGD、柵寬度WG分別為4μm、1μm、16μm、140μm。柵區(qū)AlGaN勢壘層刻蝕后剩余大約5 nm。

圖4 器件截面與柵區(qū)勢壘層刻蝕后原子力顯微鏡（AFM）的掃描結(jié)果

柵凹槽結(jié)構(gòu)的MIS-HEMT可以獲得更高的閾值電壓和更大的柵極擊穿電壓。但由于柵極凹槽較深，同時刻蝕損傷引起2DEG遷移率嚴(yán)重下降，導(dǎo)致器件開態(tài)電阻相對較高。此外，由于刻蝕后粗糙表面形成的柵介質(zhì)質(zhì)量較差，柵泄漏通常很嚴(yán)重。迄今為止，原子層沉積（ALD）的Al2O3和LPCVD-Si3N4是應(yīng)用最廣泛的柵極介質(zhì)材料。中山大學(xué)的研究者使用Al2O3介質(zhì)層制備的HEMT器件，閾值電壓為2.5 V，柵溝道電阻為519Ω/□[37]。蘇州納米所的研究者使用Si3N4制備的HEMT器件，擊穿電壓為1162 V，器件品質(zhì)因數(shù)（FOM）為469 MW·cm-2，使用電導(dǎo)法提取的界面態(tài)密度為1.4×1013～5.3×1013eV-1·cm-2，600 V高漏端應(yīng)力后器件導(dǎo)通電阻從2.88 mΩ·cm2增加到4.89 mΩ·cm2[38]。香港科技大學(xué)的研究者使用Si3N4制備了高性能的HEMT器件，閾值電壓為2.37 V，同時介質(zhì)層具有較高的熱穩(wěn)定性、長時間的柵擊穿壽命和低偏置溫度不穩(wěn)定性等優(yōu)勢[16]。然而，基于Al2O3的MOS結(jié)構(gòu)具有一個相對較低的臨界擊穿場（5～7 MV/cm），而基于Si3N4的MIS結(jié)構(gòu)需要一個高溫（約780℃）沉積過程，這可能會導(dǎo)致工藝兼容性問題，同時在薄膜中會帶來過大的應(yīng)力。因此，開發(fā)更多雙介質(zhì)層的柵極方案和技術(shù)是必要的。

將理想的疊層介質(zhì)分為界面層介質(zhì)和耐壓層介質(zhì)進行分析。界面層介質(zhì)需要考慮介質(zhì)層中的電荷問題，若介質(zhì)層中的固定電荷為負電荷，在柵極不施加偏壓的情況下會對溝道中的2DEG有耗盡作用，從而提升器件的閾值電壓，同時，界面層介質(zhì)還需要與AlGaN勢壘層形成較低的界面態(tài)，這會進一步提升器件的可靠性。而耐壓層介質(zhì)需要在電極和AlGaN勢壘層間形成較高的勢壘，理論上需要選用與AlGaN材料導(dǎo)帶階躍較大的介質(zhì)，它可以減小器件柵極漏電，此外還需要介質(zhì)層具有較大的臨界擊穿電場，這會給器件提供較大的柵驅(qū)動范圍。

為了確定哪種材料更適用于界面層介質(zhì)和耐壓層介質(zhì)，對不同生長方式下生長的不同材料進行了電荷以及耐壓的表征，不同介質(zhì)層材料性能如表2所示。為發(fā)揮柵介質(zhì)層的耐壓與溝道調(diào)制作用，使用Al2O3+SiON疊層介質(zhì)制作HEMT器件[39]。

表2 不同介質(zhì)層材料性能

以介質(zhì)層作為變量制備了2個樣品，樣品A為30 nm SiON，樣品B為10 nm Al2O3+20 nm SiON（其中Al2O3作為界面層介質(zhì)，更靠近溝道）。2個樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5所示（其中VDS、IDS、VGS分別為漏端電壓、漏端電流、柵端電壓），從圖5可以觀察到2個器件的電流開關(guān)比均大于108，在柵極電壓從-6 V提高到10 V的過程中，柵極泄漏電流沒有明顯的上升趨勢，證明介質(zhì)沒有發(fā)生擊穿。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，樣品B閾值電壓的滯回小于10 mV，說明其界面態(tài)濃度很低。另外，樣品A和B的亞閾值擺幅分別為515 mV/dec和172 mV/dec。樣品B所對應(yīng)的亞閾值擺幅較小，一方面是因為Al2O3的介電常數(shù)大于SiON，另一方面是因為Al2O3/AlGaN界面電荷濃度較SiON/AlGaN界面更低。可以明顯觀察到A、B 2個樣品的閾值電壓差異較大，樣品B的閾值電壓為0.8 V，實現(xiàn)了增強型操作。

圖5 2個樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線

雖然使用該方案的器件實現(xiàn)了增強型操作，但閾值電壓仍較小，在實際電路應(yīng)用中會出現(xiàn)誤開啟的操作，可以在柵介質(zhì)層沉積之前使用界面處理方式來改善柵界面性能，進一步提升器件的閾值電壓。

研究發(fā)現(xiàn)，柵介質(zhì)層/（Al）GaN界面處通常存在1013cm-2·eV-1的高密度界面態(tài)，這會引起嚴(yán)重的柵漏電和閾值電壓的不穩(wěn)定性，因此，在柵介質(zhì)層沉積之前有必要引入界面處理技術(shù)來修復(fù)由刻蝕引入的界面態(tài)。香港科技大學(xué)的研究者使用NH3-Ar-N2界面處理技術(shù)制備了HEMT器件，該技術(shù)可以有效地去除界面原生氧化物，同時在三族氮化物表面形成類單晶氮化物界面層，器件的亞閾值擺幅為64 mV/dec，閾值電壓的滯回為0.09 V，同時還具有較低的Dit（1×1012～6×1012cm-2·eV-1）[19]。西安電子科技大學(xué)使用N2O進行界面處理，制備的器件閾值電壓為1.5 V，亞閾值擺幅為70 mV/dec[14]。這說明柵槽界面處理是可以改善器件性能的。

基于上述Al2O3+SiON疊層?xùn)沤橘|(zhì)，在柵槽AlGaN勢壘層刻蝕后引入氧和氟混合等離子體界面處理來改善器件性能[35]。使用混合等離子體界面處理后器件的轉(zhuǎn)移特性如圖6（a）所示，由于勢壘層表面固定了帶負電荷的氟離子，閾值電壓正向漂移了2.0 V左右，達到了2.5 V。根據(jù)閾值電壓的差異，可以粗略推斷出氟離子的濃度約為1.6×1012cm-2，2個器件的開關(guān)電流比均達到了109，并且在-4～12 V的柵極掃描范圍內(nèi)保持10-7mA/mm的低柵極泄漏電流。混合等離子體處理后器件的亞閾值擺幅為188 mV/dec，比對照組減小了110 mV/dec，表明該界面處理方案確實有助于降低柵極表面陷阱濃度。有無混合等離子體處理器件的柵耐壓特性如圖6（b）所示，與未使用界面處理的器件相比，使用混合等離子體處理方案的器件展現(xiàn)出更好的柵耐壓（26 V）。

圖6 器件的直流I-V特性

3.3.2 p-GaN柵結(jié)構(gòu)

在p型柵結(jié)構(gòu)中，一般選擇使用p-GaN作為插入層，這也是目前最成熟的工藝。其典型特征是在柵極下方插入一層p-GaN層，其作用是抬高AlGaN/GaN界面處的導(dǎo)帶能級，調(diào)制此類器件閾值電壓的方法在于改變p-GaN的摻雜濃度，或者調(diào)整柵區(qū)下方AlGaN勢壘層的厚度，p-GaN結(jié)構(gòu)柵下能帶如圖7所示。當(dāng)應(yīng)用p-GaN柵極時，相當(dāng)于制備了一個柵極注入晶體管（GIT），來降低隨著柵極電流而增加的導(dǎo)通電阻。事實上，p-GaN的高受體濃度是保持該類二極管柵極特性所必需的，而這也可以通過在柵極下面引入基于NiOx的插入層來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)利用金屬與p-GaN間較高的勢壘減小柵漏電并提供正向閾值電壓。該技術(shù)由豐田公司在2007年首次提出，現(xiàn)在已發(fā)展成為主流商用技術(shù)之一，如Panasonic和EPC等已推出多款基于p型柵結(jié)構(gòu)的增強型器件，但它們的閾值電壓一般都小于2 V，在實際電路應(yīng)用中會由于過充等現(xiàn)象造成器件損壞。

圖7 p-GaN結(jié)構(gòu)柵下能帶[40]

p-GaN柵結(jié)構(gòu)的器件在外延AlGaN上生長的是p型GaN，可以通過干法刻蝕或氫等離子體處理制備出所需的p-GaN插入層：（1）對器件進行氫等離子體處理，將p-GaN轉(zhuǎn)化為高阻GaN（HR-GaN）；（2）通過干法刻蝕將除柵下區(qū)域的p-GaN刻蝕掉（2種方法在實施時均需使用光刻膠保護柵下區(qū)域的p-GaN）。其他工藝與制備凹槽柵結(jié)構(gòu)器件相差不大。

近年來，對于該類型器件的研究越來越多地集中在可靠性方面，如器件在反向續(xù)流應(yīng)力下的表現(xiàn)、應(yīng)力測試中陷阱俘獲與釋放電子的機制、再生長p-GaN帽層結(jié)構(gòu)中柵極的退化現(xiàn)象等。然而，由柵極電壓過大所引起的柵極電流泄漏問題并未得到有效解決，同時柵控能力減弱、寄生電容增加等問題也依然存在。

3.3.3 氟化柵結(jié)構(gòu)

具有氟化柵結(jié)構(gòu)的增強型器件與其他方案在柵區(qū)的工藝不同，該方案是在蒸鍍柵電極前通過高能離子注入機對柵下勢壘層注入氟離子。由于氟離子具有高的電負性，在勢壘層中會形成帶負電的固定電荷，相當(dāng)于形成了一個附加勢壘。從能帶角度分析，它會提升柵下的勢壘高度，從而得到較高的閾值電壓，同時減小柵極泄漏電流。該方法可以通過控制氟離子的處理時間和劑量得到較高的閾值電壓，同時結(jié)合凹柵結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層能夠更好地抑制柵漏電；但由于勢壘層中注入氟離子會引入缺陷，這些缺陷會降低2DEG遷移率，導(dǎo)致器件輸出電流減小，同時會使器件閾值電壓的穩(wěn)定性變差。此外，在大面積晶圓上制作器件時，使用此方法很難控制器件閾值電壓的均勻性。

3.4 場板和鈍化的設(shè)計

對于電源開關(guān)應(yīng)用，GaN HEMT通常工作在第一象限（正偏置和正電流）和第三象限（負偏置和負電流）[41]。在第一象限工作時，要求器件在關(guān)態(tài)期間阻止高漏端偏置（例如用于消費類電子設(shè)備適配器的600 V），并在開態(tài)期間具有低的導(dǎo)通電阻?；贕aAs HEMT的研究經(jīng)驗，柵靠近漏極一側(cè)的強電場是導(dǎo)致關(guān)態(tài)擊穿和電流崩塌的主要原因[42]。因此，需要通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計來解決關(guān)態(tài)高壓下的強電場問題，如局部氟等離子體處理和局部p型摻雜，但場板的設(shè)計仍然是主要的方法。

當(dāng)HEMT器件從高壓關(guān)斷切換到開啟狀態(tài)時，場板的電場調(diào)控有助于抑制電流崩塌和增加動態(tài)電阻。在高壓關(guān)斷期間，強電場會加速電子向半導(dǎo)體表面移動。隨后電子被捕獲并產(chǎn)生額外的電場，在器件切換到導(dǎo)通期間耗盡2DEG。加上更好的鈍化層，場板可以降低電場，避免電子加速。通常，用于增加擊穿電壓的場板設(shè)計也可用于抑制電流崩塌。柵極場板和源極場板的優(yōu)化組合可以同時增加器件的擊穿電壓，并抑制電流崩塌。

場板的設(shè)計在調(diào)控電場的同時，也會引入寄生電容，這可能會損害器件的高頻和開關(guān)性能。因此，業(yè)界提出了幾種獨特的場板結(jié)構(gòu)以減少寄生電容，例如浮空場板和空氣橋場板。傾斜形狀的場板也可用于調(diào)控電場的分布，并提高器件的擊穿電壓。

4 結(jié)束語

本文介紹了GaN基HEMT器件的幾種主流實現(xiàn)方案。具有凹柵結(jié)構(gòu)、p-GaN插入層結(jié)構(gòu)和cascode結(jié)構(gòu)的器件是最具有應(yīng)用前景的技術(shù)。在闡述了HEMT器件的工作原理后，本文闡述了GaN基HEMT器件的一系列最新研究進展，包括材料外延和器件關(guān)鍵制造技術(shù)等。另外，本文基于凹柵結(jié)構(gòu)的E-mode HEMT技術(shù)路線，重點討論了柵槽刻蝕后的界面處理和柵介質(zhì)層工藝以及其對HEMT器件的性能影響。未來，縱向垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件是重要發(fā)展方向，目前高性能垂直結(jié)構(gòu)的GaN基功率器件的發(fā)展方向還聚焦于降低襯底成本、提高襯底晶體和外延結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及高效離子注入電隔離等方面。而橫向結(jié)構(gòu)GaN HEMT的研究重點在于大面積（超過8英寸）外延質(zhì)量和器件工藝可靠性，業(yè)界在向更高耐壓（大于1000 V）應(yīng)用等級、中低壓應(yīng)用中更高功率密度以及與傳統(tǒng)Si CMOS工藝的兼容等方面努力。新的制造工藝必須考慮工藝的穩(wěn)定性和器件的可靠性。隨著設(shè)備技術(shù)的創(chuàng)新、材料和器件工藝質(zhì)量的提升，GaN功率器件的發(fā)展與應(yīng)用將進一步加速。