【推薦】氮化鎵功率器件，為什么是 HEMT ？

山蟹居 2024-05-14 發(fā)布于上海

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當(dāng)我們?cè)谡務(wù)搶捊麕О雽?dǎo)體的時(shí)候，常說的碳化硅功率器件一般是指SiC MOSFET，而氮化鎵功率器件最普遍的則是GaN HEMT。為什么碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在功率器件上走了不同的道路？

因?yàn)楦唠娮舆w移率晶體管（High Electron Mobility Transistors，HEMT）作為功率半導(dǎo)體器件的代表，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的市場潛力。氮化鎵相比于硅和碳化硅具有更高的電子遷移率（Electron Mobility）、飽和電子漂移速率（Saturated Electron Veloctity）和擊穿場強(qiáng)（Breakdown Field）。

什么是電子遷移率？

電流的導(dǎo)通依靠的是材料內(nèi)部載流子的定向移動(dòng)。當(dāng)存在著外加電壓時(shí)，材料內(nèi)部的自由電子受到外加電壓中電場力的作用，會(huì)沿著電場的反方向做定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，我們稱其為漂移運(yùn)動(dòng)。而將這種定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度。根據(jù)推導(dǎo)可知，當(dāng)電場增大時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)隨之增大，兩者呈線性關(guān)系，而這個(gè)比例系數(shù)就被稱作遷移率。

由于材料上的優(yōu)勢，在相同耐壓等級(jí)下，氮化鎵材料更適合制作高效的功率器件，特別是橫向結(jié)構(gòu)HEMT，其導(dǎo)通電阻比硅器件的導(dǎo)通電阻低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，與同為寬禁帶半導(dǎo)體材料的碳化硅器件相比，其導(dǎo)通電阻減小1/2~1/3。

氮化鎵HEMT與普通晶體管的區(qū)別就在于高電子遷移率，因此更適合于高頻應(yīng)用場合，對(duì)提升轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度非常有利，這也是它被大規(guī)模應(yīng)用的原因與前提。比如氮化鎵HEMT可將充電器的尺寸縮小一半，同時(shí)將功率提高3倍。目前氮化鎵功率器件主要應(yīng)用于電源適配器、車載充電器、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，也逐漸成為5G基站電源的最佳解決方案。

從HEMT器件結(jié)構(gòu)看，可分為橫向和縱向結(jié)構(gòu)。縱向結(jié)構(gòu)器件需要用到氮化鎵自支撐襯底，而且從目前來看，氮化鎵襯底的成本較高，尺寸較小，這就使得單個(gè)器件的成本更高。氮化鎵縱向結(jié)構(gòu)器件尚未在市場上出售，目前處于大量研究以使器件商業(yè)化的階段。同時(shí)縱向結(jié)構(gòu)的器件并沒有利用到氮化鎵最大的優(yōu)勢——二維電子氣（2 Dimensional Electron Gas，2DEG），而橫向結(jié)構(gòu)的器件則能很好地利用到這一特點(diǎn)。

獨(dú)特的 2DEG

氮化鎵外延的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，典型如AlGaN/GaN界面，由于沿鎵面方向外延生長的結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，這導(dǎo)致在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)產(chǎn)生高濃度的2DEG。

首先，由于GaN與AlGaN的晶格常數(shù)不同，而且它們的晶格常數(shù)又有變?yōu)閿?shù)值一致的趨勢，因此在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)出現(xiàn)對(duì)上層材料的擠壓或拉伸，產(chǎn)生應(yīng)力。

在沒有外加應(yīng)力時(shí)，由于氮化物材料自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其自身內(nèi)部的正負(fù)電中心并不對(duì)稱，電子會(huì)向著N原子一側(cè)偏移，在材料內(nèi)部產(chǎn)生電場，這就是自發(fā)極化。

與此同時(shí)，由于AlGaN材料的晶格常數(shù)小于GaN，上層的AlGaN材料會(huì)受到壓應(yīng)力。就像等腰三角形來做一個(gè)類比，當(dāng)我們?cè)诶烊切蔚膬蓚€(gè)等邊時(shí)，第三個(gè)頂點(diǎn)會(huì)向著其所對(duì)的邊移動(dòng)，這就是壓電極化。

在自發(fā)極化與壓電極化的一同作用下，在AlGaN與GaN之間會(huì)產(chǎn)生一層極薄的電子層。由于這些電子被限制在幾個(gè)原子厚度的薄層中，不可以在Z軸方向運(yùn)動(dòng)，但可以在X與Y方向自由運(yùn)動(dòng)，所以電子近似位于一個(gè)平面內(nèi)。在這個(gè)平面中的電子運(yùn)動(dòng)模式與自由空間中的氣體類似，故稱之為2DEG。

在極薄的平面中，電子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到阻擋，所以電子的漂移速度就會(huì)相對(duì)較高，這也是高電子遷移率的由來。

HEMT 器件分類

橫向HEMT器件從開關(guān)類型，可分為耗盡型（D-mode）和增強(qiáng)型（E-mode）器件。耗盡型與增強(qiáng)型器件的區(qū)別在于器件的閾值電壓是否大于0 V。

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)。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。

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現(xiàn)象等，這些可靠性問題與場板的設(shè)計(jì)、柵介質(zhì)層的選擇、緩沖層的設(shè)計(jì)和鈍化層材料的選擇等有關(guān)，需要對(duì)器件的制作工藝細(xì)節(jié)進(jìn)一步優(yōu)化，以提高器件的可靠性。

而增強(qiáng)型器件在柵極零偏壓時(shí)可以耗盡柵下溝道中的2DEG，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。增強(qiáng)型器件也由此具有安全、節(jié)能和能簡化電路設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)勢，是未來GaN HEMT功率器件的重要發(fā)展方向。

硅基氮化鎵 HEMT 結(jié)構(gòu)

首先，在硅襯底上低溫生長AlN成核層，這是一種有效的通過降低生長GaN時(shí)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(shí)應(yīng)力未能完全釋放，緩沖層中仍然存在許多位錯(cuò)和缺陷；另一方面，未經(jīng)摻雜的GaN呈弱n型，具有約10¹⁶ cm^-3的背景電子濃度，為了提高器件的垂直耐壓，一般會(huì)在緩沖層中進(jìn)行補(bǔ)償摻雜，常用的摻雜劑有Mg、Fe、C等能夠形成受主的雜質(zhì)，以使得緩沖層呈現(xiàn)近絕緣的狀態(tài)。近絕緣的緩沖層對(duì)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(jí)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(dá)到近絕緣的補(bǔ)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(qiáng)層和AlGaN勢壘層。其中，AlN增強(qiáng)層會(huì)使界面更加平整，同時(shí)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(huì)有一層薄的GaN帽層，這是為了提升2DEG的遷移率，同時(shí)能夠減小表面漏電。在它的上面可能會(huì)有一層為抑制電流崩塌而生長的鈍化層。

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來自：山蟹居 > 《晶圓廠和工藝》

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