【導讀】GaN 是一種二元化合物，由一個鎵原子（III 族，Z = 31）和一個氮原子（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非常強的離子化學鍵結(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，由一個鎵原子（III 族，Z = 31）和一個氮原子（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非常強的離子化學鍵結(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)）稱為高電子遷移率晶體管 ( HEMT )。HEMT 的名稱源于 2DEG 在 AlGaN 勢壘層和 GaN 緩沖層界面處形成的低電阻導電通道。可以借助圖 1 來理解 2DEG 的累積。
圖 1：GaN-AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡化橫截面
與鎵和鋁相比，氮具有更高的電負性（電負性衡量某個原子吸引共享電子對的傾向）。因此，電荷位移會引起電自發(fā)極化 (P sp )。另一方面，具有不同晶格常數(shù)1 的外延層上的機械應力和應變會引起壓電極化 (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對于拉伸應變 AlGaN 層為負，對于壓縮應變 AlGaN 層為正。因此，自發(fā)極化和壓電極化的方向在拉伸應變的情況下是平行的，而在壓縮應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 具有高導電性，主要是因為電子被限制在界面上非常小的區(qū)域內(nèi)。由于遷移率較高，因此無需摻雜，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（耗盡模式或 d 模式）開關(guān)，即具有負閾值電壓 (V th )。為了簡化柵極驅(qū)動并使晶體管按照電力電子電路的通常要求安全運行，需要采取額外步驟來確保器件可以在柵極施加 0 V 時關(guān)閉。圖 2 顯示了增強模式 (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 實現(xiàn)：p 柵極（左）和凹柵極（右）（來源：意法半導體）
圖 2 描述了兩種本質(zhì)上常閉型 GaN HEMT 的實現(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，部分供應商采用此方案。
具有絕緣柵電介質(zhì)的絕緣柵場效應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。金屬絕緣體半導體場效應晶體管 (MISFET) 通過局部等離子蝕刻工藝完全去除柵極下方的 AlGaN 阻擋層，從而實現(xiàn) e 模式操作，使器件在零柵極電壓下關(guān)閉。當 MISFET 中的柵極電壓超過正 V th時，柵極界面下方會形成電子積累層，從而恢復 2DEG 導電通道的完整性，從而使器件可以打開。MISFET 的一種變體是部分凹陷柵極金屬絕緣體半導體異質(zhì)結(jié)場效應晶體管 (MISHFET)。
顯然，制造 MISFET 的一個非常關(guān)鍵的步驟是凹槽雕刻。常見的蝕刻技術(shù)是電感耦合等離子體反應離子蝕刻 (ICP-RIE)。該技術(shù)將化學反應和離子誘導蝕刻結(jié)合在一起，而離子通量的獨立控制可以實現(xiàn)高度靈活性。然而，由于等離子體的照射時間較長，等離子體中的紫外線會對半導體表面造成嚴重損壞。表面損傷反過來會導致漏電流增加、V th不穩(wěn)定和電流崩塌（動態(tài)導通電阻增加）。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。自限性化學改性僅影響晶圓的頂部原子層，選擇性蝕刻僅去除經(jīng)過化學改性的區(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一步改善界面處的捕獲狀態(tài)。
對凹槽柵極 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，并增強了市場增長前景。據(jù)分析和咨詢公司 Omdia 稱，GaN 市場規(guī)模將在 2030 年達到 38.9 億美元，自 2022 年以來復合增長率為 37%。受益于這種市場擴張的行業(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)級增長）和充電器、汽車和電信等消費應用。如今，微軟、谷歌和 Meta 等大型科技公司正在激烈競爭，以發(fā)布使用生成式 AI 模型來處理和生成大量文本和數(shù)字數(shù)據(jù)的產(chǎn)品。這種模型必須依賴大量的計算能力，需要巨大的服務器群，其中使用冷水和電力來冷卻設(shè)備。高效 GaN 產(chǎn)品的出現(xiàn)對于構(gòu)建更環(huán)保的電源轉(zhuǎn)換器來說是一個真正的福音。
眾所周知，傳統(tǒng)的 p-GaN 柵極結(jié)構(gòu)存在可靠性問題，即使在輕微過壓下也容易失效。實驗中檢測到了時間相關(guān)的擊穿，這是由 p 型柵極的 GaN 基功率 HEMT 中的正向柵極應力引起的，由肖特基金屬/p-GaN 結(jié)控制。當在柵極上施加高應力電壓時，靠近金屬界面的 p-GaN 耗盡區(qū)會出現(xiàn)較大的電壓降和電場，從而促進滲透路徑的形成。這種退化的機制與時間相關(guān)的介電擊穿相符：在關(guān)斷狀態(tài)下以恒定電壓進行測試時，柵極電流一開始會變得嘈雜，然后突然增加幾個數(shù)量級。
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體的聯(lián)合開發(fā)努力， CEA-Leti取得了許多進展。
然而，要充分發(fā)揮凹槽柵極方法的所有優(yōu)勢，還有許多挑戰(zhàn)需要解決。MISFET 會受到凹槽區(qū)域粗糙表面和電活性缺陷的影響，導致通道遷移率下降。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)并增強電流流動非常重要?？刂平^緣體電荷也至關(guān)重要。CEA-Leti 制造工藝的進展主要集中在：
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了額外的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)仍需解決。
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