任舰

摘 要：由于氮化镓（GaN）材料具有禁带宽度大、击穿电场强、饱和电子漂移速度高等优异的物理特性，GaN基功率电子器件逐渐取代硅基电子器件在高温、高压与高频等领域的应用。目前，由GaN及其合金材料制备的高电子迁移率晶体管（HEMT）是电力电子、无线通信和雷达等领域的核心器件。除此之外，利用GaN基HEMT可制备高灵敏度的检测器件，在生物和光电检测领域的应用也越来越广泛。但是，尽管GaN基HEMT的性能正不断取得突破，该器件的规模化应用仍受到电学可靠性问题的限制，本文重点阐述了GaN基HEMT的研究进展以及存在的电学可靠性问题。

关键词：GaN 高电子迁移率晶体管 可靠性

中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（c）-0014-03

随着世界经济的快速增长，能源被快速消耗。2005年，美国电子工业协会能源损耗调查指出，电能的有效使用率仅有约50%，因此提高电能转化效率对改善人类生存环境具有重要意义。电力电子功率器件是新能源技术和高效电源管理方案的核心器件，该器件有助于提高电能转化效率，然而传统硅基半导体电力电子器件的性能已经接近极限，摩尔定律或将失效，进一步提高器件的性能需要付出巨大的成本，因此，推动了新型材料电力电子功率器件的研究和发展刻不容缓。近十几年，以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带III族氮化物半导体被认为是制备功率器件最理想的材料之一。与同样适合功率器件的SiC材料相比，宽禁带III族氮化物具有以下优势：允许研究者根据极化工程概念设计异质结结构新型器件；更大的Baliga优值系数，综合性能更适合功率器件。

1 GaN基HEMT的发展过程

由GaN及其合金材料AlGaN可形成AlGaN/GaN异质结，由于显著的压电极化和自发极化效应，在无偏压条件下AlGaN/GaN异质结界面处便可诱导出高密度的二维电子气（2DEG），使AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管（HEMT）具有导通电阻低、击穿电压大、输出功率高和无益损耗小的特点。例如：对于一个100W功率输出要求的移动通信基站，采用单个GaN HEMT器件就可以提供所需的输出功率，不仅减小了集成模块的尺寸而且提高了转换效率。

1992年，Khan等人[1]使用金属有机气相化学沉积法（MOCVD）首次制备了AlGaN/GaN HEMT，伴随着器件制备工艺的不断提高，包括最大频率（fmax）、截止频率（fT）和最大输出功率在内的几个主要技术指标不断提高。Shinohare等人[2]制备的AlGaN/GaN HEMT，fT和fmax分别达到220GHz和400GHz，輸出功率密度接近30W/mm。但是，当GaNHEMT长时间工作在大信号模式下时，逆压电效应很容易在势垒诱发新的电学缺陷产生，导致栅极反向泄漏电流增大使器件性能发生退化。目前，最有效的一种解决方法是在GaN外延衬底上直接生长与之晶格匹配的In组分为0.17时InAlN势垒层，此时InAlN势垒层内没有压电极化而只有自发极化，且相对于传统AlGaN/GaN异质结，极化强度的总体效果更强，即便在更薄的势垒层厚度下依然能得到2.6×1013cm-2的2DEG浓度和低于220Ω/sq的导通电阻。基于以上背景，近几年晶格匹配晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT器件也逐渐成为国际研究热点。

1998年，Kariya等人[3]成功制备了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT，但由于InAIN的外延生长质量较差，与AlGaN/GaN HEMT相比，晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT性能有待提高。直至2012年，Denninghoff等人[4]在使用MOCVD在蓝宝石衬底上制作了晶格匹配In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件，其fmax高达400GHz，Yue等人[5]在SiC衬底上制作的晶格匹配In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件，其跨导已达到650mS/mm，fT则高达370GHz，创造了新的记录。

2 GaN基HEMT面临的挑战

尽管GaN基HEMT的性能正在不断取得突破，但是规模化应用仍受到多种问题的制约。首先，由于工艺复杂，外延材料价格较高，器件价格昂贵，一般在价格昂贵的高科技产品中使用。其次，GaN基HEMT中存在多种可靠性问题，尤其不可回避的是电应力退化问题。电应力退化指的是器件持续工作过程中，性能出现恶化，退化可分为可逆和不可逆，前者称为电流崩塌现象，而后者又通常与电流崩塌现象常同时或先后出现。1994年，Khan等人[6]首次报道了AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌现象。1999年，Klein等人[7]指出禁带中的陷阱态是引起AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的主要原因。2001年，Vetury等人[8]提出“虚栅”模型，该模型比较成功地解释了电流崩塌的物理机制。随后，通过表面钝化技术和场板技术有效地抑制了电流崩塌现象。

对于不可逆的电应力退化现象的研究也越来越多，2008年，Joh等人[9]通过步进应力实验，观察到GaN基HEMT在工作电压高于某个临界电压后发生栅电流发生明显退化。2010年，Meneghini等人[10]通过实验发现即使在较小的电压下，只要持续时间足够长，该不可逆退化行为也会发生。2011年，Chang等人[11]提出了器件退化的电场机制。2015年，Meneghini等人[12]指出应力产生的缺陷主要为势垒层的施主态缺陷。除上述报道外，还有一些学者提出多种不同的退化机制[13]。但是该问题仍未被有效地解决。除此之外，虽然很多学者致力于GaN基HEMT可靠性问题的研究，但是由于GaN材料内部缺陷非常复杂，仍存在一些未发现、未解决的问题需要深入探索。

3 结语

總体来看，GaN基HEMT较传统硅基器件性能更优越，适合应用于高频大功率等领域。但是，其商业化应用仍受到诸多可靠性问题的困扰。对于已发现问题，需要进一步研究，而对于暂未发现的其他可靠性问题，也需要不断进行探寻。

参考文献

[1] Khan MA， Kuznia JN， Bhattarai AR， et al. GaN-AlxGa1-xN heterostructures deposition by low pressure metalorganic chemical vapor deposition for metal insulator semiconductor field effect transistor （Misfet） devices[J].MRS Proceedings Cambridge University Press，1992（281）：769.

[2] Shinohara K， Corrion A， Regan D， et al. 220GHz fT， and 400GHz fmax， in 40-nm GaN DH-HEMTs with re-grown ohmic[J]. IEEE IEDM，2010（30）：1-4.

[3] Kariya M， Nitta S， Yamaguchi S， et al. Structural properties of AlInN ternary alloys on GaN grown by metalorganic vapor phase epitaxy[J]. Japanese Journal of Applied Physics，1998（37）：697-699.

[4] Denninghoff D， Lu J， Laurent M， et al. N-polar GaN/InAlN MIS-HEMT with 400-GHz fmax[A].70th Device Research Conference[C].2012：151-152.

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[6] Khan MA， Shur MS， Chen QC， et al. Current/voltage characteristic collapse in AlGaN/GaN heterostructure insulated gate field effect transistors at high drain bias[J]. Electronics Letters，1994，30（25）：2175-2176.

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[8] Vetury R， Zhang NQ， Keller S， et al. The impact of surface states on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HFETs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices，2001，48（3）：560-566.

[9] Joh J， Alamo JAD. Critical Voltage for Electrical Degradation of GaN High-Electron Mobility Transistors[J].Microelectronics Reliability，2010，50（6）：767-773.

[10] Meneghini M， Stocco A， Bertin M， et al. Time-dependent degradation of AlGaN/GaN high electron mobility transistors under reverse bias[J].AppliedPhysics Letters，2012，100（3）：287-289.

[11] Chang CY， Douglas EA， Kim J， et al. Electric-field-driven degradation in off-State step-stressed AlGaN/GaN high-electron mobility transistors[J].IEEE Transactions on Device & Materials Reliability，2011，41（6）：89-100.

[12] Meneghini M， Bertin M， Stocco A， et al. Degradation of AlGaN/GaN Schottky diodes on silicon： role of defects at the AlGaN/GaN interface[J].Applied Physics Letters， 2013，102（16）：163501.

[13] Bisi D， Chini A， Soci F， et al. Hot-Electron Degradation of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors during RF operation： correlation with GaN buffer design[J]. IEEE Electron Device Letters，2015，36（10）：1011-1014.