摘" 要：高電子遷移率晶體管（HEMT）作為半導(dǎo)體功率器件，能夠應(yīng)用在高溫、高壓和高頻等環(huán)境。到目前為止，第二代半導(dǎo)體材料GaAs、InP基HEMTs體系的發(fā)展已相當(dāng)成熟，隨著第三代半導(dǎo)體GaN基HEMT體系的數(shù)據(jù)及理論不斷完善，其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，而隨著對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體Ga2O3理論的完善及無(wú)銥工藝的出現(xiàn)，Ga2O3基HEMT器件在電力電子、射頻微波等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：高電子遷移率晶體管；氮化鎵；氧化鎵；HEMT；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0099-06

Abstract： As semiconductor power devices， high electron mobility transistors （HEMT） can be used in high-temperature， high-pressure， and high-frequency environments. So far， HEMT system based on the second generation semiconductor materials， such as GaAs and InP， has been quite mature. With the continuous improvement of the data and theory of the third-generation semiconductor GaN based HEMT system， GaN based HEMTs show a dominant role in the application market. Furthermore， the progress of the theory of the ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 and the emergence of iridium-free processing unfold the great potential of Ga2O3 based HEMT in the fields of power electronics， RF microwave， etc.

Keywords： high electron mobility transistor; gallium nitride; gallium oxide; HEMT; research progress

高電子遷移率晶體管（HEMT），也稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)FET（HFET）或調(diào)制摻雜FET（MODFET），是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)合了具有不同帶隙的2種材料之間的結(jié)（即異質(zhì)結(jié)）作為溝道而不是摻雜區(qū)域（通常是MOSFET的情況）。一種常用的材料組合是GaAs和AlGaAs，盡管根據(jù)器件的應(yīng)用而存在很大差異。銦組分更高的器件一般表現(xiàn)出較好的高頻性能，而近年來(lái)，GaN HEMT因其高功率性能而備受關(guān)注。與其他FET器件一樣，HEMT在集成電路中可用作數(shù)字開(kāi)關(guān)，相比普通晶體管其能在更高的頻率下工作，最高可達(dá)毫米波頻率，其用途可用作手機(jī)、衛(wèi)星電視接收器、電壓轉(zhuǎn)換器和雷達(dá)設(shè)備等。

1" HEMT分類(lèi)

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，HEMT器件是一種場(chǎng)效應(yīng)器件，漏源極間流過(guò)的電流受到柵極的調(diào)制，柵極與半導(dǎo)體形成肖特基接觸。根據(jù)半導(dǎo)體物理特性，通過(guò)異質(zhì)結(jié)接觸的2種半導(dǎo)體由于禁帶寬度的不同，電子會(huì)從寬禁帶半導(dǎo)體流向禁帶較窄的半導(dǎo)體一方，從而在半導(dǎo)體界面形成量子阱。當(dāng)寬禁帶半導(dǎo)體的摻雜濃度較高，異質(zhì)結(jié)間的導(dǎo)帶差較大時(shí)，會(huì)形成相當(dāng)高度的勢(shì)壘，限制量子阱中的自由電子在垂直異質(zhì)結(jié)接觸面方向上的移動(dòng)，故稱(chēng)這個(gè)量子阱為二維電子氣（2DEG）。2DEG就是HEMT器件中的溝道，由于溝道所在的窄禁帶半導(dǎo)體通常是不摻雜的，溝道中的自由移動(dòng)電子遠(yuǎn)離了摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體中的雜質(zhì)的庫(kù)倫散射，故載流子能獲得很高的電子遷移率。表1給出了第二代到第四代半導(dǎo)體材料的參數(shù)，可以看到以其為基礎(chǔ)制成的HEMT器件有著各自的優(yōu)勢(shì)。

1）以第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表，包括三元化合物半導(dǎo)體如AlGaAs等的高電子遷移率晶體管，有著相當(dāng)高的電子遷移率。

GaAs/InP體系下的HEMT電子器件主要通過(guò)調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)來(lái)控制2DEG的濃度。其中，在速度能力方面最好的是InP HEMT。InP HEMT優(yōu)異的速度性能背后的主要原因是其獨(dú)特的高電子遷移率、量子阱中較低的電子有效質(zhì)量、通道中的高2DEG密度和高跨導(dǎo)[1-2]。雖然InP HEMT在速度方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯，但I(xiàn)nP襯底的尺寸較小及制備困難，難以批量生產(chǎn)，與InP HEMT相比，GaAs HEMT直徑可以達(dá)到最大6英寸（1英寸等于2.54 cm），其制造技術(shù)更加成熟和精細(xì)，制造成本更低使得其在半導(dǎo)體市場(chǎng)上受到認(rèn)可。

此外，與InP HEMTs一樣，GaAs HEMTs具有低噪聲、高增益、高效率、低直流功耗、低電壓工作和高頻率工作等優(yōu)點(diǎn)[3-15]。

早期的HEMT是由n-AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員通過(guò)增加二維電子氣密度和電子速率來(lái)提高器件性能，GaAs HEMT經(jīng)歷了從n-AlGaAS/InGaAs和n-InGaP/InGaAs贗配HEMT（PHEMT）結(jié)構(gòu)到AllnAs/InGaAs漸變HEMT（MHEMT）結(jié)構(gòu)。

2）以第三代半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）為代表，包括三元化合物半導(dǎo)體，如AlGaN等的高電子遷移率晶體管因其自身材料具有較高的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)等優(yōu)勢(shì)逐漸受到重視。另外，由氮化物晶體材料自身的電負(fù)性或在外力的作用下，正電荷和負(fù)電荷的中心發(fā)生分離，從而在極軸兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，形成所謂的自發(fā)極化和壓電極化，由此產(chǎn)生的極化效應(yīng)的存在有助于產(chǎn)生高濃度、高密度的二維電子氣。

AlGaN/GaN HEMT即使不摻雜，異質(zhì)結(jié)中也會(huì)產(chǎn)生出大量的二維電子氣，其面密度可以高達(dá)1013cm-2。這意味著，HEMT中的高密度二維電子氣不一定需要通過(guò)摻雜來(lái)引入，而是可以直接從異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng)中產(chǎn)生出來(lái)，這時(shí)的二維電子氣面密度將主要決定于極化效應(yīng)的強(qiáng)度。

由于極化效應(yīng)的關(guān)系，通常這種HEMT是常開(kāi)型的。而要得到常關(guān)型HEMT，通常是比較困難的，很值得研究和探討。

3）以超寬帶隙（4.8 eV）半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）為代表的高電子遷移率晶體管，由于Ga2O3優(yōu)異的材料特性，如易控的摻雜及容易制造大尺寸廉價(jià)襯底，因此人們對(duì)其越來(lái)越感興趣。從晶體生長(zhǎng)的角度來(lái)看，Ga2O3作為唯一一個(gè)可以通過(guò)用熔體法生長(zhǎng)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)的晶體的質(zhì)量不僅比CVD（化學(xué)氣相沉積）法制作的要好，成本還遠(yuǎn)低于同尺寸的SiC和GaN等材料。2017年，NCT開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)由氧化鎵外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的1/1 000。

就目前而言，Ga2O3基二極管已逐步邁入量產(chǎn)階段，Ga2O3基MOS器件也逐漸在高壓高功率領(lǐng)域嶄露頭角，而Ga2O3基HEMT盡管有著理論支撐，但仍停留在研究階段。

2" 研究進(jìn)展

2.1" InP/GaAs HEMT研究進(jìn)展

InP/GaAs HEMT的主要缺點(diǎn)之一是擊穿性能差。傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)型InP/GaAs HEMTs的BVON和BVOFF很低。

如何在不降低gm、IDS、fT和fmax等MHEMT關(guān)鍵性能參數(shù)的情況下提高擊穿電壓是一個(gè)挑戰(zhàn)。而采用非對(duì)稱(chēng)柵極凹槽結(jié)構(gòu)可以在不降低直流和射頻性能的情況下在一定程度上提高擊穿電壓。與其他晶體管一樣，提高GaAs MHEMT速度的最有效方法就是減小柵長(zhǎng)。

柵長(zhǎng)在20～50 nm之間的晶體管最適合下一代亞毫米波、太赫茲頻率應(yīng)用。

為了在減小柵長(zhǎng)的同時(shí)有效地減小短溝道效應(yīng)，溝道長(zhǎng)寬比應(yīng)保持在1以上。對(duì)于這種柵極到溝道的距離和溝道厚度應(yīng)該隨著柵極長(zhǎng)度的減小而減小。

許多研究也已證明，結(jié)合使用嵌入式金屬柵極技術(shù)和掩埋鉑柵極技術(shù)可以在一定程度上控制柵長(zhǎng)小于50 nm的晶體管的短通道效應(yīng)。

InGaAs溝道中，InAs在濃度、帽層設(shè)計(jì)和源/漏/柵的接觸設(shè)計(jì)在很大程度上影響著晶體管的開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)性能。雖然減少使用傳統(tǒng)的晶體管設(shè)計(jì)的柵極長(zhǎng)度提高了晶體管的速度，但其也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱慕档汀６褂脤捊麕О雽?dǎo)體材料雖然可以改善擊穿電壓，但其對(duì)晶體管的速度、跨導(dǎo)和漏電流產(chǎn)生不利影響。通過(guò)結(jié)合復(fù)合溝道結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱(chēng)凹槽柵技術(shù)，可以在不影響MHEMT速度、跨導(dǎo)和漏極電流的情況下提高擊穿電壓[16-22]。

2018年，Ajayan等[23]使用雙δ摻雜層及重?fù)诫s的S/D區(qū)域并將高遷移率的InAs插入InGaAs溝道，如圖1所示，柵長(zhǎng)20 nm的HEMT的峰值gm、IDS分別達(dá)到了3 470 ms/mm和1 300 mA/mm，fT和fmax分別為749 GHz和1 460 GHz，其開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)擊穿電壓分別為2.2、4.5 V。

由于MHEMT技術(shù)能將InP的卓越的速率及GaAs的低成本制造技術(shù)等優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，因此其在半導(dǎo)體市場(chǎng)中仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

2.2" AlGaN/GaN HEMT研究進(jìn)展

GaN具有高飽和速度和高臨界電場(chǎng)等物理特性，使其成為制造高擊穿電壓、低比RON和高頻開(kāi)關(guān)操作的電力電子器件的良好選擇[24]。

一般情況下，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，由于在氮化物材料原子間的電負(fù)性差異或外力的作用下，使得正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，從而在極軸兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，形成自發(fā)極化和壓電極化，而極化效應(yīng)有助于產(chǎn)生高濃度、高密度的二維電子氣。因此，制備出的GaN基器件能夠產(chǎn)生更大的溝道電流，具有相當(dāng)良好的電學(xué)性能。

近年來(lái)，GaN HEMT雖然有了巨大的發(fā)展，在半導(dǎo)體市場(chǎng)上占據(jù)的份額不斷提高，但人們?nèi)栽谂鉀Q一些重大的物理/技術(shù)挑戰(zhàn)，其中包括開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)常關(guān)型GaN HEMT技術(shù)，以及GaN-on-Si工藝的改良等。

由于2DEG的存在，GaN HEMT本質(zhì)上是一個(gè)常開(kāi)型的器件。但常關(guān)型器件更適合電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員因此提出了許多方法來(lái)將GaN HEMT從常開(kāi)型器件轉(zhuǎn)換到常關(guān)型器件。

其中較為常見(jiàn)的是凹槽柵結(jié)構(gòu)和MIS-HEMT技術(shù)及氟離子注入技術(shù)，針對(duì)柵下的AlGaN 勢(shì)壘層進(jìn)行了刻蝕或離子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)正向的閾值電壓。上述方法在對(duì)刻蝕工藝的均勻性及刻蝕深度的控制有著相當(dāng)高的要求，并且在工藝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中都會(huì)對(duì)柵下溝道產(chǎn)生一定損傷。

2020年，蘇帥[25]成功開(kāi)發(fā)了一種新型的熱分解與干法刻蝕相結(jié)合的自終止柵極凹槽技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低界面態(tài)密度和整個(gè)晶圓的高均勻性。與傳統(tǒng)的干法刻蝕方法相比，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精確可控的柵極凹槽制備，且凹槽深度均勻性大幅提高，同時(shí)柵極界面態(tài)密度減少了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1011 eV-1cm-2。此外，該技術(shù)幾乎完全消除了干法刻蝕引起的表面損傷，有效降低了表面氧污染。

2022年，He等[26]通過(guò)新型的選擇性區(qū)域再生長(zhǎng)技術(shù)，結(jié)合了高質(zhì)量原位SiNx鈍化及原子層沉積工藝。該技術(shù)有效抑制了二次外延和原位SiNx工藝的技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)了2.5 V的高閾值電壓及5.5 Ω·mm的超低的導(dǎo)通電阻，制備了一系列高性能的免刻蝕常關(guān)型GaN凹柵MIS-HEMT器件。

此外，還可以通過(guò)將氟離子注入柵下勢(shì)壘層以此來(lái)耗盡2DEG使得器件獲得正的閾值電壓。但實(shí)際上，目前商用的常關(guān)型GaN HEMT主要集中在P-GaN型柵結(jié)構(gòu)。

通過(guò)在柵與AlGaN勢(shì)壘層間插入了p-GaN層，使下方的2DEG溝道耗盡以此來(lái)獲得正閾值電壓。

P-GaN型柵常關(guān)型器件的實(shí)現(xiàn)不需要復(fù)雜的柵工藝和刻蝕，所以柵的穩(wěn)定性較好，可靠性高，獲得的閾值電壓較為穩(wěn)定。

2022年，Zhou等[27]通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積提出了一種新型 P-GaN型柵結(jié)構(gòu)如圖2所示，研究者通過(guò)調(diào)控p-GaN在外延生長(zhǎng)過(guò)程中的參數(shù)，有效降低了柵金屬/p-GaN肖特基結(jié)的尖峰電場(chǎng)，將柵極擊穿電壓從10.6 V提高到14.6 V，并將在10年內(nèi)有效工作壽命的最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓從6.2 V增加到10.6 V。

目前，很多國(guó)外公司如Transform、德州儀器、Infineon、EPC及GaN Systems等，已經(jīng)做出了中低壓的GaN相關(guān)產(chǎn)品，并通過(guò)JEDEC制定的標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)內(nèi)的晶湛、能華、三安集成、士蘭集成和英諾賽科等公司對(duì)GaN材料與器件的研究同樣得到了迅速發(fā)展。隨著GaN在手機(jī)充電器中首先得到應(yīng)用，伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低，GaN將會(huì)在更多的場(chǎng)景得到展現(xiàn)。

2.3" Ga2O3 HEMTs研究進(jìn)展

以Ga2O3為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，相比其他半導(dǎo)體材料，其擁有體積更小、能耗更低和功能更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但目前在國(guó)內(nèi)仍處于概念階段。

近年來(lái)，第三代半導(dǎo)體材料GaN在高功率電子應(yīng)用中逐漸占主導(dǎo)地位。然而，由于GaN自身材料的物理性質(zhì)限制其在高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的應(yīng)用。而Ga2O3因其超寬的帶隙（4.8 eV）、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8 MV/cm）、高巴利加的品質(zhì)因數(shù)而在高功率高壓應(yīng)用中引起了研究人員的巨大興趣。Ga2O3有5種同分異構(gòu)體，而β-Ga2O3自身晶體結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，具有對(duì)稱(chēng)中心，但缺乏任何特殊性質(zhì)，如壓電性、鐵電性等，要想獲得高密度的2DEG，需要對(duì)β-（AlxGa1-x）2O3阻擋層進(jìn)行大量的摻雜及插入極薄的隔離層，同時(shí)還需要嚴(yán)格控制生長(zhǎng)參數(shù)和突變的異質(zhì)界面等因素。

2020年，Ranga等[28]通過(guò)MOCVD技術(shù)對(duì)β-Ga2O3薄膜進(jìn)行硅δ摻雜，如圖3所示，使得δ摻雜的β-（Al0.26Ga0.74）2O3/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了高密度（6.4×1012 cm-2）的片狀電荷。

通過(guò)Si調(diào)制摻雜的方法雖然可以積累2DEG，但同時(shí)由于雜質(zhì)散射的原因也會(huì)導(dǎo)致2DEG的遷移率下降。相比于β-Ga2O3，有著比Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體更大的極化效應(yīng)的ε-Ga2O3更受矚目。

2020年，Ranga等[29]預(yù)測(cè)在不摻雜的情況下，ε-Ga2O3和m-AlN（m-GaN）界面處的自發(fā)極化可以達(dá)到1014cm-2的高密度二維電子氣。這種基于ε-Ga2O3的耗盡型高電子遷移率晶體管ε-Ga2O3 HEMT器件的飽和電流遠(yuǎn)大于GaN HEMT。另外，通過(guò)在ε-Ga2O3的上表面生長(zhǎng)超薄AlGaN層，可以顯著抑制器件的關(guān)態(tài)漏電流。該研究為ε-Ga2O3在制備高頻高功率的HEMT提供了潛在的理論基礎(chǔ)。

此外，與Ga2O3的其他同分異構(gòu)體相比，亞穩(wěn)相ε-Ga2O3與ε-（AlxGa1-x）2O3形成的異質(zhì)結(jié)具有相對(duì)比較強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化， 所以異質(zhì)結(jié)界面存在高密度和高遷移率的2DEG，因此可以廣泛應(yīng)用于高頻、大功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。

雖然基于Ga2O3卓越的物理性能展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?，但相?duì)于發(fā)展較為成熟的GaN而言，其器件的發(fā)展依然任重道遠(yuǎn)?，F(xiàn)階段Ga2O3器件仿真技術(shù)面臨著參數(shù)缺失且不完善，自身缺陷對(duì)電學(xué)性能影響較大等諸多問(wèn)題，這意味著Ga2O3材料在成為電力電子和光電探測(cè)產(chǎn)品還需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。

3" 結(jié)論

本文介紹了幾種HEMT器件。近十幾年來(lái)，化合物半導(dǎo)體高頻高功率器件在現(xiàn)代信息化社會(huì)中起著舉足輕重的作用，隨著科技的進(jìn)步和市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高功率高頻率微波器件從GaAs/InP HEMT逐漸過(guò)渡到AlGaN/GaN HEMT，盡管Ga2O3 HEMT的開(kāi)發(fā)仍在理論階段，還需要開(kāi)展更多的基礎(chǔ)研究和推進(jìn)工作以克服自身的不足，但基于對(duì)高功率器件的性能要求越來(lái)越高的應(yīng)用需求，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，也將應(yīng)用在相應(yīng)的科技領(lǐng)域。

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