GaN基功率開關(guān)器件能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電能轉(zhuǎn)換效率和工作頻率，得益于平面型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中高濃度、高遷移率的二維電子氣（2DEG）。圖1示出絕緣柵GaN基平面功率開關(guān)的核心器件增強(qiáng)型AlGaN/GaN MIS/MOS-HEMT的基本結(jié)構(gòu)。依靠AlGaN與GaN材料極強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面能誘導(dǎo)出面密度高達(dá)1013cm-2的2DEG，其遷移率可達(dá)2000cm2·V-1·s-1以上，這種高輸運(yùn)能力2dEG顯著降低了器件導(dǎo)通損耗，提高了GaN基器件的工作頻率，該優(yōu)勢在GaN基高頻功率放大器應(yīng)用上得到充分體現(xiàn)。

圖1 AlGaN/GaN MIS/MOS-HEMT器件結(jié)構(gòu)

1. 增強(qiáng)型器件技術(shù)

增強(qiáng)型（常關(guān)型）是功率開關(guān)系統(tǒng)失效安全的核心要求。目前GaN基平面功率開關(guān)器件的增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)主要有4種：

（1）增強(qiáng)型Si-MOSFET與GaN-HEMT級聯(lián)結(jié)構(gòu)該技術(shù)避開了GaN增強(qiáng)型難點(diǎn)，采用低壓Si-MOSFET實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，利用耗盡型GaN-HEMT實(shí)現(xiàn)高耐壓，再通過鍵合技術(shù)級聯(lián)成增強(qiáng)型功率開關(guān)器件，如圖2a所示。但Si與GaN芯片間的鍵合封裝不可避免會引入寄生電感等，制約了GaN基功率開關(guān)器件的高頻應(yīng)用（300kHz以上）。

（2）p-（Al）GaN蓋帽層結(jié)構(gòu) 該技術(shù)利用pn結(jié)形成的空間電荷區(qū)擴(kuò)展耗盡柵下的2DEG，如圖2b所示。該技術(shù)能將器件閾值推進(jìn)到1.5V，但通常不會超過2V，主要局限是pn結(jié)的正向開啟導(dǎo)致柵極正向漏電增大。

（3）F離子注入增強(qiáng)型MIS-HEMT結(jié)構(gòu) 該技術(shù)通過在AlGaN勢壘層中注入帶負(fù)電的F離子，以耗盡溝道中的2DEG，如圖2c所示。結(jié)合MIS-HEMT技術(shù)，該技術(shù)也能將閾值推進(jìn)到3V以上。但F離子注入深度較難控制，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)附近的拖尾可能會造成2DEG輸運(yùn)性能降低。

（4）基于凹槽柵技術(shù)的MIS-HEMT或Hybrid MOS-HEMT結(jié)構(gòu) 該技術(shù)主要通過減薄AlGaN勢壘層以削弱其極化強(qiáng)度，從而耗盡柵下的2DEG，如圖2d所示。由于柵槽刻蝕不可避免導(dǎo)致較大的柵肖特基接觸漏電，故通常采用MIS（MOS）-HEMT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能有效抑制柵極漏電，且能提高器件的閾值電壓。刻蝕損傷、可控性和殘留物的處理是該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖2 GaN基平面功率開關(guān)器件結(jié)構(gòu)

2. 表面與界面工程

新型寬禁帶半導(dǎo)體GaN的性質(zhì)：①GaN具有很強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化，表面存在高密度極化電荷；②在GaN表面很難制備出高質(zhì)量的本征絕緣層。目前介質(zhì)層/（Al）GaN界面態(tài)密度最低只能達(dá)到1012cm-2，不及SiO2（熱氧化）/Si系統(tǒng)的1010~1011cm-2水平。懸掛鍵、表面氧化、氮空位、界面晶格無序是GaN基器件表界面態(tài)的幾種可能來源。

考慮GaN的高禁帶寬度，其界面態(tài)能級位置也較深，故具有很長的發(fā)射時間常數(shù)。這種深界面態(tài)對絕緣柵GaN基電子器件的影響主要體現(xiàn)在兩方面。一方面會導(dǎo)致柵極閾值漂移，在柵極開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，深能級界面態(tài)的緩慢放電會導(dǎo)致MIS-HEMT器件閾值不穩(wěn)定性，見圖3a。類似現(xiàn)象在圖3b中HEMT器件（肖特基柵）不能觀察到。

圖3 不同UGS，max時的轉(zhuǎn)移特性曲線。

另一個影響是電流坍塌，GaN基平面型功率管在工作中通常會經(jīng)歷關(guān)態(tài)和高漏極偏置工作狀態(tài)，在這些狀態(tài)下構(gòu)成柵極漏電的電子和從源極注入的電子在柵（源）漏間高場作用下，可能會注入到柵介質(zhì)與勢壘層間的界面態(tài)，柵漏間勢壘層的表面態(tài)，甚至是2DEG溝道下緩沖層的深能級中，見圖4。當(dāng)器件回到開態(tài)、低漏極偏置工作狀態(tài)時，由于表/界面態(tài)和緩沖層中深能級放電時間常數(shù)較長，跟不上器件的高頻開關(guān)速度，2DEG—直處于被耗盡狀態(tài)，從而導(dǎo)致器件的電流輸出能力下降（電流崩塌）。對GaN基微波功率放大器，電流坍塌表現(xiàn)為DC-RF頻散，輸出功率嚴(yán)重壓縮；對功率開關(guān)器件，電流坍塌表現(xiàn)為動態(tài)導(dǎo)通電阻急劇增加，動態(tài)損耗變大，電能轉(zhuǎn)換效率下降。

圖4 AlGaN/GaN MIS-HEMT電流崩塌效應(yīng)圖

為抑制由深界面態(tài)導(dǎo)致的閾值漂移，研發(fā)出原位低損傷GaN表面處理技術(shù)遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理（RPP）。先采用NH3/Ar遠(yuǎn)程等離子體去除（Al）GaN表面的自然氧化層，再進(jìn)行N2等離子體處理補(bǔ)償近表面的N空位，再淀積一層ALD-Al2O3柵介質(zhì)。X射線光電子能譜表征證實(shí)NH3/Ar/N2原位處理能有效去除GaN表面的Ga-O鍵，尤其是充分的氮化處理能防止氧化物柵介質(zhì)淀積造成的表面再氧化。低損傷RPP工藝在ALD-Al2O3和GaN界面產(chǎn)生一層近似單晶的AlN插入層（約0.7nm），使Al2O3/（Al）GaN界面態(tài)密度降至2×1012cm-2（0.35eV＜Ec-ET＜0.85eV），有效抑制了由氧化界面態(tài)導(dǎo)致的閾值漂移。

在RPP對（Al）GaN表面處理的基礎(chǔ)上，采用PEALD技術(shù)，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上低溫（~300℃）生長出4nm近似單晶的AlN薄膜。準(zhǔn)靜態(tài)C-V測試證實(shí)采用該技術(shù)制備的髙晶體質(zhì)量AlN能在其與（Al）GaN勢壘層界面誘導(dǎo)出高達(dá)3.2×1012cm-2的正極化電荷。該高密度固定正電荷可強(qiáng)烈補(bǔ)償捕獲電子后的表面態(tài)，從而抑制由表面態(tài)緩慢放電導(dǎo)致的電流坍塌。極性PEALD-AlN鈍化顯示出比傳統(tǒng)PECVD-SiN鈍化優(yōu)秀的電流坍塌抑制能力。采用PEALD-AlN（接觸層）/PECVD-SiN（覆蓋保護(hù)層）復(fù)合鈍化結(jié)構(gòu)，在Si基GaN研制出600V低動態(tài)導(dǎo)通電阻耗盡型和增強(qiáng)型絕緣柵GaN功率開關(guān)器件，在Si基GaN上實(shí)現(xiàn)了E/D（增強(qiáng)型/耗盡型）器件單片集成。

CMOS工藝中LPCVD高溫生長（＞600℃）的SiN介質(zhì)致密性好，擊穿電壓高，熱穩(wěn)定性良好，無等離子體表面損傷，在GaN基功率開關(guān)器件表面鈍顯示出良好潛力。采用LPCVD-SiN鈍化在GaN基HEMT器件上有效提升了功率輸出能力，同時推測該介質(zhì)與（Al）GaN間的氧化層（約2nm）可能是器件仍存在電流崩塌的原因。將原位等離子體預(yù)處理引入LPCVD系統(tǒng)以有效去除該界面氧化層，進(jìn)一步改善了LPCVD-SiN介質(zhì)與（Al）GaN界面特性，抑制了絕緣柵GaN基功率開關(guān)器件的閾值漂移和電流坍塌。

3. 高絕緣柵介質(zhì)

絕緣柵GaN基功率開關(guān)器件可靠性核心是高絕緣柵介質(zhì)。良好的經(jīng)時擊穿（TDDB）特性是決定器件長期工作可靠性的關(guān)鍵因素，而介質(zhì)中的正固定電荷直接影響增強(qiáng)型閾值的實(shí)現(xiàn)。

利用原子層沉積（ALD）技術(shù)制備的Al2O3是目前GaN基MIS-HEMTS中廣泛采用的柵介質(zhì)。但由于ALD裝置中TMA（Al源）和H2O源的不充分反應(yīng)，采用熱模式ALD生長的Al2O3介質(zhì)中含有一定量的Al-Al和Al-O-H等缺陷，它們被認(rèn)為是柵氧介質(zhì)中正固定電荷的來源，正電荷的存在會導(dǎo)致閾值電壓的負(fù)向移動，阻礙了增強(qiáng)型的形成。近期研宄發(fā)現(xiàn)，采用活性較強(qiáng)的O3取代H2O作為ALD中的O源，不僅能使TMA被充分反應(yīng)，而且能避免采用等離子O2源（等離子模式生長）所引入的表面轟擊損傷等問題。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用O3源生長的ALD-Al2O3擊穿電場能達(dá)到8.5MV/cm，也具有良好的TDDB特性。最重要的是，O3有效抑制了柵介質(zhì)中的正固定電荷，密度能控制在9×1011cm-2。在此基礎(chǔ)上，通過介質(zhì)后退火方法進(jìn)一步降低了Al2O3/GaN界面正電荷，將絕緣柵GaN基MOS-HEMT閾值提髙到5.2V。

采用LPCVD方法高溫制備的SiN介質(zhì)具有良好的抗擊穿和TDDB特性。LPCVD-SiN與GaN間的導(dǎo)帶帶階為2.75eV，且自身的擊穿場強(qiáng)達(dá)到13MV/cm，高于PECVD-SiN柵介質(zhì)，故LPCVD-SiN柵介質(zhì)是制備絕緣柵GaN基功率開關(guān)器件的理想選擇，可極大擴(kuò)展柵極的安全闞值范圍。

圖5中，采用韋伯統(tǒng)計(jì)失效分析方法，LPCVD-SiN介質(zhì)的韋伯斜率β=2.4，說明其TDDB特征時間tBD呈很好的一致性。以10年壽命為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，63%失效率對應(yīng)可承受柵壓為9.8V。LPCVD-SiN介質(zhì)在100℃和200℃高溫下可靠性良好。為繼續(xù)提升GaN基增強(qiáng)型MIS-HEMT中LPCVD-SiN柵介質(zhì)的可靠性，在LPCVD-SiN與凹槽柵間插入一層低溫生長的PECVD-SiN（約2nm），以有效保護(hù)柵區(qū)被刻蝕后的（Al）GaN表面（LPCVD的高溫生長可能導(dǎo)致刻蝕GaN表面退化），從而制備出了閾值2.37V、擊穿電壓650V的高性能MIS-HEMT。其中該復(fù)合柵介質(zhì)在柵壓11V時TDDB=壽命超過10年，顯示了LPCVD-SiN柵介質(zhì)在絕緣柵GaN基功率開關(guān)器件中的良好可靠性。

圖5 TDDB特征時間和壽命分析

同時開發(fā)了感應(yīng)耦合等離子體CVD、原位金屬有機(jī)化合物CVD等SiN柵介質(zhì)生長方法，這些介質(zhì)的TDDB特性還需繼續(xù)驗(yàn)證。