【導(dǎo)讀】GaN 是一種二元化合物，由一個(gè)鎵原子（III 族，Z = 31）和一個(gè)氮原子（V 族，Z = 7）組成，具有纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)。鎵原子和氮原子通過(guò)非常強(qiáng)的離子化學(xué)鍵結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生很大的能帶隙。
GaN 是一種二元化合物，由一個(gè)鎵原子（III 族，Z = 31）和一個(gè)氮原子（V 族，Z = 7）組成，具有纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)。鎵原子和氮原子通過(guò)非常強(qiáng)的離子化學(xué)鍵結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生很大的能帶隙。這一特性使 GaN 非常穩(wěn)定，非常適合在高溫和惡劣環(huán)境下工作。用這種技術(shù)制造的晶體管（通常具有橫向結(jié)構(gòu)）稱(chēng)為高電子遷移率晶體管 ( HEMT )。HEMT 的名稱(chēng)源于 2DEG 在 AlGaN 勢(shì)壘層和 GaN 緩沖層界面處形成的低電阻導(dǎo)電通道。可以借助圖 1 來(lái)理解 2DEG 的累積。
圖 1：GaN-AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化橫截面
與鎵和鋁相比，氮具有更高的電負(fù)性（電負(fù)性衡量某個(gè)原子吸引共享電子對(duì)的傾向）。因此，電荷位移會(huì)引起電自發(fā)極化 (P sp )。另一方面，具有不同晶格常數(shù)1 的外延層上的機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)引起壓電極化 (P pe )。發(fā)生這種情況的原因是，變形有利于晶體內(nèi)帶電原子的位移，從而產(chǎn)生凈電偶極矩。P pe對(duì)于拉伸應(yīng)變 AlGaN 層為負(fù)，對(duì)于壓縮應(yīng)變 AlGaN 層為正。因此，自發(fā)極化和壓電極化的方向在拉伸應(yīng)變的情況下是平行的，而在壓縮應(yīng)變的情況下是反向平行的。在 AlGaN 中，晶格常數(shù)小于 GaN。因此，AlGaN 在 GaN 層上施加應(yīng)變，從而產(chǎn)生額外的 P pe。
因此，AlGaN 的總極化 ( P sp + P pe ) 較大，從而在 AlGaN/GaN 界面產(chǎn)生凈正電荷。在異質(zhì)界面產(chǎn)生的自由載流子 (電子) 中和了固定的自發(fā)極化和壓電極化，從而形成了具有極高電子遷移率 (范圍在 1,500 至 2,000 cm 2 /Vs 之間) 的 2DEG 層。這種 2DEG 具有高導(dǎo)電性，主要是因?yàn)殡娮颖幌拗圃诮缑嫔戏浅Ｐ〉膮^(qū)域內(nèi)。由于遷移率較高，因此無(wú)需摻雜，從而限度地減少了電離雜質(zhì)散射現(xiàn)象。
2DEG 層將產(chǎn)生常開(kāi)（耗盡模式或 d 模式）開(kāi)關(guān)，即具有負(fù)閾值電壓 (V th )。為了簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)并使晶體管按照電力電子電路的通常要求安全運(yùn)行，需要采取額外步驟來(lái)確保器件可以在柵極施加 0 V 時(shí)關(guān)閉。圖 2 顯示了增強(qiáng)模式 (e 模式) 或常關(guān) HEMT 的兩種一般結(jié)構(gòu)。
E型HEMT
圖 2：E 模式（常閉）HEMT 實(shí)現(xiàn)：p 柵極（左）和凹柵極（右）（來(lái)源：意法半導(dǎo)體）
圖 2 描述了兩種本質(zhì)上常閉型 GaN HEMT 的實(shí)現(xiàn)方式：分別為 p 柵極（帶肖特基柵極接觸）和凹陷柵極。第三種方案（未顯示）由 d 模式 HEMT 和硅低壓MOSFET組成，采用共源共柵配置，部分供應(yīng)商采用此方案。
具有絕緣柵電介質(zhì)的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有理想的特性，例如柵極漏電減少和柵極電壓擺幅大。金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MISFET) 通過(guò)局部等離子蝕刻工藝完全去除柵極下方的 AlGaN 阻擋層，從而實(shí)現(xiàn) e 模式操作，使器件在零柵極電壓下關(guān)閉。當(dāng) MISFET 中的柵極電壓超過(guò)正 V th時(shí)，柵極界面下方會(huì)形成電子積累層，從而恢復(fù) 2DEG 導(dǎo)電通道的完整性，從而使器件可以打開(kāi)。MISFET 的一種變體是部分凹陷柵極金屬絕緣體半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MISHFET)。
顯然，制造 MISFET 的一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟是凹槽雕刻。常見(jiàn)的蝕刻技術(shù)是電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻 (ICP-RIE)。該技術(shù)將化學(xué)反應(yīng)和離子誘導(dǎo)蝕刻結(jié)合在一起，而離子通量的獨(dú)立控制可以實(shí)現(xiàn)高度靈活性。然而，由于等離子體的照射時(shí)間較長(zhǎng)，等離子體中的紫外線會(huì)對(duì)半導(dǎo)體表面造成嚴(yán)重?fù)p壞。表面損傷反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致漏電流增加、V th不穩(wěn)定和電流崩塌（動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增加）。干原子層蝕刻 (ALE) 是一種可在蝕刻后提供高質(zhì)量界面的替代蝕刻方法。自限性化學(xué)改性?xún)H影響晶圓的頂部原子層，選擇性蝕刻僅去除經(jīng)過(guò)化學(xué)改性的區(qū)域，一層又一層。ALE 工藝可代替 ICP-RIE，以降低柵極凹槽表面的粗糙度并進(jìn)一步改善界面處的捕獲狀態(tài)。
對(duì)凹槽柵極 HEMT 的興趣
如今，大多數(shù) GaN 制造商都選擇了共源共柵或 p 柵極。因此， CEA-Leti近宣布凹陷技術(shù)取得了新的里程碑，這引起了人們的真正興趣，并增強(qiáng)了市場(chǎng)增長(zhǎng)前景。據(jù)分析和咨詢(xún)公司 Omdia 稱(chēng)，GaN 市場(chǎng)規(guī)模將在 2030 年達(dá)到 38.9 億美元，自 2022 年以來(lái)復(fù)合增長(zhǎng)率為 37%。受益于這種市場(chǎng)擴(kuò)張的行業(yè)包括數(shù)據(jù)中心（由于為 AI 供電所需的數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）和充電器、汽車(chē)和電信等消費(fèi)應(yīng)用。如今，微軟、谷歌和 Meta 等大型科技公司正在激烈競(jìng)爭(zhēng)，以發(fā)布使用生成式 AI 模型來(lái)處理和生成大量文本和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的產(chǎn)品。這種模型必須依賴(lài)大量的計(jì)算能力，需要巨大的服務(wù)器群，其中使用冷水和電力來(lái)冷卻設(shè)備。高效 GaN 產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)于構(gòu)建更環(huán)保的電源轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是一個(gè)真正的福音。
眾所周知，傳統(tǒng)的 p-GaN 柵極結(jié)構(gòu)存在可靠性問(wèn)題，即使在輕微過(guò)壓下也容易失效。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到了時(shí)間相關(guān)的擊穿，這是由 p 型柵極的 GaN 基功率 HEMT 中的正向柵極應(yīng)力引起的，由肖特基金屬/p-GaN 結(jié)控制。當(dāng)在柵極上施加高應(yīng)力電壓時(shí)，靠近金屬界面的 p-GaN 耗盡區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大的電壓降和電場(chǎng)，從而促進(jìn)滲透路徑的形成。這種退化的機(jī)制與時(shí)間相關(guān)的介電擊穿相符：在關(guān)斷狀態(tài)下以恒定電壓進(jìn)行測(cè)試時(shí)，柵極電流一開(kāi)始會(huì)變得嘈雜，然后突然增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
相比之下，全凹陷 MIS 柵極 GaN 功率晶體管比 p-GaN HEMT 具有更寬的柵極電壓擺幅、更高的柵極可靠性和更低的柵極漏電流。
得益于之前與意法半導(dǎo)體的聯(lián)合開(kāi)發(fā)努力， CEA-Leti取得了許多進(jìn)展。
然而，要充分發(fā)揮凹槽柵極方法的所有優(yōu)勢(shì)，還有許多挑戰(zhàn)需要解決。MISFET 會(huì)受到凹槽區(qū)域粗糙表面和電活性缺陷的影響，導(dǎo)致通道遷移率下降。因此，優(yōu)化絕緣體和 AlGaN/GaN 之間的界面以限度地減少界面捕獲狀態(tài)并增強(qiáng)電流流動(dòng)非常重要。控制絕緣體電荷也至關(guān)重要。CEA-Leti 制造工藝的進(jìn)展主要集中在：
濕法清洗、熱處理和等離子處理以獲得高質(zhì)量的表面
用于柵極凹槽的低沖擊蝕刻和 ALE
界面層（本例中為 AlN）可進(jìn)一步降低功率損耗
提高可靠性的薄膜介電層替代材料
所有這些工藝步驟（從表面處理到蝕刻和介電層沉積）都必須認(rèn)真執(zhí)行，才能獲得所需的器件規(guī)格。正確表征等離子輔助蝕刻引起的損傷以及工業(yè)上可行的工藝集成帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)仍需解決。
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