第30卷 第1期2010年3月
固体电子学研究与进展
RESEARCH&PROGRESSOFSSE
Vol.30,No.1Mar.,2010
专家论坛
氮化镓功率半导体器件技术
张 波 陈万军 邓小川 汪志刚 李肇基
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054)
2009-07-01收稿,2009-09-05收改稿
X
摘要:作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,特别是大直径硅(Si)基GaN外延技术的逐步成熟并商用化,GaN功率半导体技术有望成为高性能低成本功率技术解决方案,从而受到国际著名半导体厂商和研究单位的关注。总结了GaN功率半导体器件的最新研究,并对GaN功率器件发展所涉及的器件击穿机理与耐压优化、器件物理与模型、电流崩塌效应、工艺技术以及材料发展等问题进行了分析与概述。
关键词:氮化镓;功率器件;击穿电压;比导通电阻
中图分类号:TN304.2;TN305 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2010)01-0001-10
GalliumNitridePowerSemiconductorDevicesTechnology
ZHANGBo CHENWanjun DENGXiaochuan WANGZhigang LIZhaoji
(StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicsScience
andTechnologyofChina,Chengdu,610054,CHN)
Abstract:GalliumNitride(GaN)isanattractivewidebandgapsemiconductorforhigh-voltage,high-temperature,high-frequency,high-powerapplicationsbecauseofitsfavorablematerialcharacteristics.Withthedevelopmentofthelarge-diameterGaNepiwafersbasedonsiliconsubstrate,GaN-basedpowerdevicesarepromisingcandidatesforthelow-cost,high-efficiencypowermanagementsolution.Inthispaper,thestate-of-theartGaN-basedpower
devicesaresummarizedandsomeissuesonGaN-basedpowerdevicesandtechnologies,suchasbreakdownmechanismsandoptimizations,devicephysicsandmodels,currentcollapse,GaN-basedmaterials,areanalyzedandpresentedindetail.
Keywords:galliumnitride;powerdevice;breakdownvoltage;specificon-resistance
EEACC:2560P
时,诸多新型应用对功率管理单元的体积、效率以及工作稳定性提出了更高要求。然而,传统Si基功率器件的性能已逼近其理论极限,使得宽禁带半导体
50余年来,硅(Si)基功率器件获得了超过两个数量级的性能改善,目前已进入性能平稳期,其性能的进一步提升往往伴随着成本的显著增加。与此同
成为应用于功率管理的理想替代材料。在宽禁带半导体材料中,碳化硅(SiC)功率半导体技术研究起步最早,技术相对成熟。自2001年成功推出第一只商
引 言
2
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷
用SiC功率整流器以来,多种SiC功率器件产品相继研制成功并部分走向商用市场[1]。
宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点(见表1),特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率,使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率,能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求[2]。近年来,GaN在光电器件领域的广泛应用,加速了GaN材料的发展,特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步并逐步商业化,使得GaN具有更低廉的成本价格,有力地促进了GaN功率半导体器件的发展。
目前,研究高压、高温、高频和大功率GaN功率器件是国际半导体的一个热点,也是当今微电子领域的战略制高点之一。美国、日本、欧洲等国都极其重视GaN功率半导体技术的研究与开发。国内一些科研院所及高校在国家相关科技计划的资助下也开展了GaN功率器件的研究,但GaN功率器件的研究重点主要集中在GaN微波功率器件领域。
表1 功率器件常用半导体材料性能比较
Tab.1 Comparisonofthepowersemiconductormaterials
Si
Eg/eVni/cm-3
Er
1.1
4H-SiC3.26
GaN3.391.9×1010
9.01200(Bulk)
2000(2DEG)
2.53.31.3
现了击穿电压近10000V的GaN功率整流器(结构如图1所示)[4]。2006年,美国Auburn大学报道了击穿电压为600V,正向开启电压为1.3V,比导通电阻为2.2m8・cm的SBD器件。
与SiC材料不同,GaN除了可以利用GaN体材料(Bulk)制作器件以外,还可以利用GaN所特有的异质结结构制作高性能器件。2005年,韩国首尔大学采用多个浮空金属环结终端技术,在AlGaN/GaN结构上实现了击穿电压为930V的AlGaN/GaN
[6]
SBD。2008年,日本NJR(NewJapanRadio)公司在ISPSD国际会议(InternationalSymposiumon
2
[5]
PowerSemiconductorDevices&IC's)上报道了采用低温淀积GaN保护层作为结终端技术的AlGaN/GaNSBD器件,在基于Si衬底的AlGaN/GaN外延材料上实现了1000V耐压[7]。日本Furukawa电子公司提出具有双金属阳极的AlGaN/GaNSBD功率整流器(结构如图2所示),正向导通时,该结构利用具有低金属功函数的金属(Al/Ti)来实现低的开启电压(～2V);而反向耐压时,利用具有高金属功函数的金属(Pt)来实现高的击穿电压(400V)。在2008年IEDM会上,日本Panasonic公司利用NaturalSuperJunction概念在AlGaN/GaN材料上实现了击穿电压高达9300V,而比导通电阻为176
2[9]
m8.cm的功率二极管(如图3所示)。
[8]
1.5×10108.2×109
11.8
107002.03.03.3～4.5
Ln/(cm2・V-1・s-1)1350vsat/107(cm・s-1)Ebr/(MV・cm-1)(/(W・cm-1K)
1.00.31.5
图1 具有P保护环和场板技术AlGaN横向功率整流
器的结构示意图
Fig.1 SchematicoflateralgeometryAlGaNrectifiers
employingedgetermination
1 GaN功率器件发展
1.1 GaN功率整流器(二极管)
功率整流器(二极管)是功率管理系统中极其重要的组成部分,主要包括肖特基势垒功率二极管(SBD)和PIN功率二极管。早在1999年,美国加州理工学院就报道了GaNSBD功率整流器,该结构采用Au作为阳极金属,其击穿电压为450V,正向开启电压为4.2V[3]。2001年,美国佛罗里达州立大学报道了在GaN外延层中掺入适当的Al组分(0～
,图2 具有双金属阳极的AlGaN/GaNSBD结构图Fig.2 SchematicofAlGaN/GaNrectifierwithdual
1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术
3
近年来,虽然GaN基功率整流器已经取得大的发展,但其研究结构主要集中于传统整流器结构(SBD和PIN)。一方面,这些传统结构与最成熟的GaN基功率开关器件AlGaN/GaNHEMT结构不兼容,其发展未能兼顾器件的相互集成,不适应功率半导体向集成化、智能化、小型化发展的需要;另一方面,传统器件结构其固有的工作机理决定了该类器件具有较大的开启电压以及较高的正向导通电阻。具体而言,GaN基传统功率整流器正向导通时电子所必须跨越的势垒(PIN管的PN结势垒或者SBD的肖特基势垒,其中SBD开启电压VF如式(1)所示)使得该类器件具有较差的器件性能,不利于降低器件功耗。
VF=
**
点。该结构引起了国际同行的高度关注,《CompoundSemiconductor》和《SemiconductorToday》杂志对其研究结果进行了综述报道[12-13]。
图4 可与AlGaN/GaNHEMT集成的场控功率整流器
(L-FER)结构示意图
Fig.4 Schematiccross-sectionofthemonolithicintegrationof
L-FERwithanormallyoffHEMT
F
ln**2+n
(1)
式中,n是理想因子;T是热力学温度;q是电子电量;A是Richardson常数;
JF是正向电流密度。上式中,显然低的肖特基势垒高度
B有利于降低器件开启电压,但低的
图3 具有SJ的AlGaN/GaNSBD结构示意图Fig.3 GaN-basednaturalsuperjunctiondiodeswith
multi-channelstructures
图5 L-FER测试结果:(a)I-V特性;(b)正向导通特性
为了减小GaN功率整流器的开启电压和导通电阻而不影响其反向耐压,最近,作者之一陈万军等在IEEEEDL(电子器件快报)和APL(应用物理快报)上提出了一种高性能AlGaN/GaN横向场控功率整流器结构(L-FER),其结构如图4所示[10-11]。该结构通过肖特基-欧姆复合阳极,实现了肖特基栅控2DEG沟道,从而使得器件的开启电压由沟道的阈值电压(场控)决定而不再受肖特基势垒高度的影响,这是一种新的器件工作机理,突破了传统GaN功率整流器中其工作机理对器件性能的限制。从图5的测试结果可知,器件击穿电压为470V,正向开启电压仅为0.58V,比导通电阻为2.03m8・cm。该结构不仅具有高压、高速、低功耗等优点,还有与
2
Fig.5 MeasuredoutputcharacteristicsofL-FER(a)
andanenlargedviewforforwardbiasregion(b)
由于在GaN材料上形成PN结技术不成熟,相对而言,GaNPIN功率整流器报道较少。2003年,日
本丰田公司和美国佛罗里达州立大学合作报道了反向耐压40V、开启电压5V、比导通电阻5m8・cm2、反向恢复时间小于600ns的GaNPIN功率二级管[14]。2006年,美国佐治亚理工学院通过掺Mg形成P型,在GaN衬底上实现了击穿电压为540V、正
2
向开启电压为4.4V、比导通电阻为3m8・cm的GaNPIN功率整流器[15]。
4
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷
GaN功率整流器的研究重点为改善器件击穿电压与正向导通特性(比导通电阻和正向开启电压)的矛盾关系,以提高器件整体性能。图6给出了目前报道的部分GaN功率整流器性能对比。从图6(a)中不难发现,虽然GaN功率整流器在导通电阻方面突破了Si材料极限,但相对于GaN材料本身而言还有很长一段距离。因此,如何进一步优化击穿电压与比导通电阻之间的关系,充分发挥GaN材料优势,仍是今后很长一段时间内GaN功率整流器研究的重点。从图6(b)可知,目前所报道的GaN功率整流器正向开启电压正逼近公式(1)的理论值(肖特基势垒高度
以突破此限制。
在高压功率器件中,如何改进器件在高速、高压与低导通电阻之间的制约关系,是高压功率器件设计中需要着重考虑的问题之一。在优化AlGaN/GaNHEMT高压功率器件击穿电压方面,研究者们提出了各种措施。2003年,美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Mishra课题组报道了基于多场板结构实现900V击穿电压、最大漏极电流700mA/mm的AlGaN/GaNHEMT器件结构(如图7所示);随后,该组采用斜场板结构,实现了高达1900V的高压AlGaN/GaNHEMT(结构如图8所示),比导通电阻仅为2.2m8.cm。2006年,美国南加州大学研究了器件表面状态对耐压能力的影响,实现了1600V高压HMET器件,其比导通电阻为3.4m8.2[18]
。在2007年的IEDM会议上,日本Panasoniccm
公司通过Poly-AlN钝化层实现了高达8300V的GaN功率开关器件(结构如图9所示),而比导通电阻仅为186m8・cm2[19]。韩国首尔大学采用新的ICP-CVD淀积方法淀积SiO2作为表面钝化层,在提高器件击穿电压的同时还增加了器件正向导通电流
[20]
2[17]
[16]
。南加州大学也研究了SiO2作为钝化层对高压
AlGaN/GaNHEMT的影响,实现了击穿电压930
2[21]
V,比导通电阻为2.43m8・cm的高压器件。2006年,日本Furukawa公司报道了采用SiN作为表面钝化层,器件击穿电压为750V,比导通电阻为6.3m8・cm2,开启时间仅为2.5ns[22]。
众所周知,基于AlGaN/GaN结构的晶体管是耗尽型(常开型)器件,而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率开关器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等,是功率系统中的首选器件。因此,对于AlGaN/GaNHEMT器件而言,增强型HEMT器件实现技术也是研究者们极其关
图6 (a)比导通电阻与击穿电压的关系;(b)正向开启
电压与击穿电压的关系
Fig.6 (a)Specificon-resistance(Ron,sp)versusBV
forGaN-basedrectifiersreportedintheliterature;
(b)Forwardturn-onvoltage
(VF,on)versusBVforGaN-basedrectifiers
1.2 GaN功率开关器件
目前,基于GaN的功率开关器件主要包括AlGaN/GaNHEMT(HFET)、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等结构,其中,AlGaN/GaNHEMT具
有工艺简单、技术成熟、优良的正向导通特性和高的工作频率等优点,成为
GaN功率开关器件中最受关图7 多场板的HEMT
./ith
1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术
5
工学院T.P.Chow所领导的小组采用SiO2作为栅介质层,实现了击穿电压2500V、比导通电阻30m8.cm2、阈值电压2V的N型GaN功率MOSFET器件,其结构如图10所示。同时,该结构还采用表面注入技术形成RESURF区以优化器件表面电场。
图8 斜场板的HEMT
Fig.8 AlGaN/GaNHEMTswithslant
plate
[29]
为了充分利用AlGaN/GaN材料优势,同时具有MOSFET所有的绝缘栅和增强型工作类型等特点,该组提出MOS-HEMT混合型功率器件,其击穿电压为1300V,比导通电阻为20m8.cm2[30]。
图9 具有Poly-AlN钝化层和深通孔的超高压
HFET结构示意图
Fig.9 Aschematiccross-sectionofthefabricated
ultra
high
voltageand
passivation
HFETswithAlNvia-holesthroughthe
图10 GaNRESURF功率MOSFET结构Fig.10 Aschematiccross-sectionalviewoflateral
implantedRESURFGaNMOSFET
绝缘栅控HEMT(MIS-HEMT)基本结构如图11所示。S.Yagi等研究了分别采用SiN和TiO2作为绝缘栅介质的高压功率MIS-HEMT性能,其击穿电压分别为1700V和2000V,比导通电阻为6.9m8・cm2和15.6m8・cm2[31]。2007年,该组在ISPSD国际会议上报道了采用High-k/Oxide/SiN夹层作为绝缘栅介质,其击穿电压达到1800V,比导通电阻为17m8・cm2[32]。在国内,南京电子器件研究所报道了采用AlN作为绝缘栅介质的MIS-HEMT,在漏栅电压为80V时,其栅泄漏电流较传统的肖特基栅降低1个数量级[33]。
sapphiresubstrate
注的问题。2000年,南加州大学采用P型GaN栅实现了增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为2.5
[23]
V,最大漏极电流为35mA/mm。2006年,日本Nichia公司通过减薄AlGaN层实现了准增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.1V,击穿电压为610V,比导通电阻为1.9m8・cm2[24]。同年,日本Toshiba采用槽栅结构实现了准常关型高压AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.14V,击穿电压为435V,比导通电阻为4m8・cm。在国内,西安电子科技大学于2009年报道了采用槽栅结构的增强型AlGaN/GaNHEMT。2007年,日本Matsushita公司报道了具有正阈值电压的GIT器件,其阈值电压为1V,击穿电压为800V,最大漏极电流为200mA/mm,比导通电阻为2.6m8・
2[27]
。2008年,文中作者之一陈万军等人在香港科cm
技大学采用氟等离子体处理技术,实现了常关型AlGaN/GaNHMET功率开关器件,研究了此
[26]
2[25]
图11 MIS-HEMT结构示意图
Fig.11 Aschematiccross-sectionalviewofMIS-HEMT
HEMT功率器件的高温特性,该器件在温度高达250℃时,仍然表现出极佳的电特性和热稳定性。
除AlGaN/GaNHEMT功率开关器件以外,基于GaN的功率
MOSFET和MIS-HEMT结构也是[28]
图12是美国IR公司给出的GaNHEMT与Si
和SiC功率器件导通电阻比较曲线[34]。在特定的击穿电压上,GaN器件具有比Si或SiC更小的导通电
1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术
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工学院T.P.Chow所领导的小组采用SiO2作为栅介质层,实现了击穿电压2500V、比导通电阻30m8.cm2、阈值电压2V的N型GaN功率MOSFET器件,其结构如图10所示。同时,该结构还采用表面注入技术形成RESURF区以优化器件表面电场。
图8 斜场板的HEMT
Fig.8 AlGaN/GaNHEMTswithslant
plate
[29]
为了充分利用AlGaN/GaN材料优势,同时具有MOSFET所有的绝缘栅和增强型工作类型等特点,该组提出MOS-HEMT混合型功率器件,其击穿电压为1300V,比导通电阻为20m8.cm2[30]。
图9 具有Poly-AlN钝化层和深通孔的超高压
HFET结构示意图
Fig.9 Aschematiccross-sectionofthefabricated
ultra
high
voltageand
passivation
HFETswithAlNvia-holesthroughthe
图10 GaNRESURF功率MOSFET结构Fig.10 Aschematiccross-sectionalviewoflateral
implantedRESURFGaNMOSFET
绝缘栅控HEMT(MIS-HEMT)基本结构如图11所示。S.Yagi等研究了分别采用SiN和TiO2作为绝缘栅介质的高压功率MIS-HEMT性能,其击穿电压分别为1700V和2000V,比导通电阻为6.9m8・cm2和15.6m8・cm2[31]。2007年,该组在ISPSD国际会议上报道了采用High-k/Oxide/SiN夹层作为绝缘栅介质,其击穿电压达到1800V,比导通电阻为17m8・cm2[32]。在国内,南京电子器件研究所报道了采用AlN作为绝缘栅介质的MIS-HEMT,在漏栅电压为80V时,其栅泄漏电流较传统的肖特基栅降低1个数量级[33]。
sapphiresubstrate
注的问题。2000年,南加州大学采用P型GaN栅实现了增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为2.5
[23]
V,最大漏极电流为35mA/mm。2006年,日本Nichia公司通过减薄AlGaN层实现了准增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.1V,击穿电压为610V,比导通电阻为1.9m8・cm2[24]。同年,日本Toshiba采用槽栅结构实现了准常关型高压AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.14V,击穿电压为435V,比导通电阻为4m8・cm。在国内,西安电子科技大学于2009年报道了采用槽栅结构的增强型AlGaN/GaNHEMT。2007年,日本Matsushita公司报道了具有正阈值电压的GIT器件,其阈值电压为1V,击穿电压为800V,最大漏极电流为200mA/mm,比导通电阻为2.6m8・
2[27]
。2008年,文中作者之一陈万军等人在香港科cm
技大学采用氟等离子体处理技术,实现了常关型AlGaN/GaNHMET功率开关器件,研究了此
[26]
2[25]
图11 MIS-HEMT结构示意图
Fig.11 Aschematiccross-sectionalviewofMIS-HEMT
HEMT功率器件的高温特性,该器件在温度高达250℃时,仍然表现出极佳的电特性和热稳定性。
除AlGaN/GaNHEMT功率开关器件以外,基于GaN的功率
MOSFET和MIS-HEMT结构也是[28]
图12是美国IR公司给出的GaNHEMT与Si
和SiC功率器件导通电阻比较曲线[34]。在特定的击穿电压上,GaN器件具有比Si或SiC更小的导通电
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固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷
升空间。因此,目前对于GaN功率开关器件的研究,一方面是对已有器件继续进行优化,使其能满足军事和商业应用;另一方面继续开发更低导通压降,更
大输出功率密度和更高工作温度的新器件结构。
由发展到成熟的过程,GaN也不例外。因此,还需在以下几方面加大研究力度以加快GaN功率半导体的实用进程。2.1 机理与模型
2.1.1 击穿机理与耐压优化理论 对于GaN功率器件而言,存在诸如雪崩电离、肖特基栅漏电、GaN
表面缺陷与陷阱等原因所致的器件buffer层漏电、
击穿,其多种击穿机理并存使得GaN功率器件击穿机理极为复杂,而且各种击穿机理对器件耐压能力
的影响也不尽相同,因此对GaN功率器件击穿机理的研究以及相应的耐压优化技术研究尤为重要。
对于GaN功率器件而言,其比导通电阻(Ron)与
图12 GaN功率开关器件比导通电阻与击穿电压的关系Fig.12 Specificon-resistanceversusBVforGaN-basedpowerswitchdevices
击穿电压(VBR)的关系可以表示为(以AlGaN/GaNHEMT为例):
Ron=VBR2/[qLnns(EC2-Ep2)]
[38]
2
(2)
1.3 GaN功率集成技术
近年来,虽然GaN分立高压功率器件(包括功率整流器和功率开关器件)被广泛研究,对GaN智能功率集成技术的探索却相对缺乏。高度集成化的GaN智能功率技术将实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。美国伦斯勒理工学院T.P.Chow所领导的小组提出单片集成的GaNMOSFET与SBD器件结构
[35]
式中,q是电子电量;Ln是电子迁移率;ns是2DEG
浓度;EC和Ep分别是临界击穿电场和极化电场。由于GaN具有高的临界击穿电场和电子迁移率,理论上在相同的击穿电压下,GaN功率器件有更低的导通电阻。但目前GaN功率器件的性能远未达到理论值,对其击穿机理的研究有利于提升GaN功率器件的性能。
在GaN器件击穿机理研究方面,由于AlGaN/GaN体系中发生击穿时空穴电流(Ihole)主要来自雪崩电离,反向耐压时AlGaN/GaNHEMT器件的空穴电流和栅极电流(Ileakage)如式(3)所示。
Ihole=Leffaexp[-EiLeff/(Vds-Vsat)]Ids
Ig=Ihole+Ileakage
(3)
式中,Leff是高场区特征长度;a是常数;Ei是临界击穿电场;Vds和Vsat分别是源漏电压和饱和电压,Ids是漏极电流。N.Dyakonova等通过测试反向耐压时Ihole/Ids和Ileakage与温度的关系,得到GaN的临界击穿电场(2.6MV/cm),且雪崩击穿电压随温度的增加
。
文献[15,36]报道了单片集成功率晶体管和功率整流器的GaNBoost转换器,并在此基础上开发出GaN智能功率集成技术平台雏形(如图13所示)
[37]
。
图13 GaN智能功率集成技术雏形
Fig.13 SchematicplatformofGaNsmartpower
technology:
integration
of
low-voltage
peripheralandpowerdevices
而增大。然而,部分实验结果发现,GaN器件的击穿电压随着温度的增加而降低,这表明此时器件发生击穿并非雪崩击穿所致。W.S.Tan等研究了肖特基栅漏电对HEMT击穿电压的影响,并提出表面跳跃传导(Surfacehopping)机制解释击穿电压随温度增加而降低的现象[40]。该机制认为,在器件反向耐压时,由于栅极边缘的高电场使得部分电子从肖特基栅电极注入到器件栅漏表面而被器件表面态所俘获,该俘获的电子能够在高的电场下运动而形成表面泄漏电流,温度越高,电子越能获得足够的能量进[39]
2 GaN功率器件基本技术
GaN功率器件具有优越的性能,而基于硅基的GaN外延衬底能够大幅度降低成本,且在将来有望与硅基CMOS工艺兼容,因此GaN功率器件具有极
1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术
[46]
7
漏电流为1mA/mm作为击穿判据)器件击穿电压与温度成负温度关系。M.AsifKhan等研究了AlGaN/GaN表面态对器件耐压能力的影响,并用“虚栅”效应解释表面态对器件性能的影响以及表面钝化层提高器件耐压能力的机理[41]。T.S.Sudarshan等提出表面闪络(Surfaceflashover)机
[42]
理解释GaN器件实际击穿电压低于其理论值。G.Gradinaru等研究了Buffer层漏电对器件击穿电压的影响[43]。M.J.Wang等研究了由于源极电子注入(到GaNbuffer层)对器件击穿电压的影响,并提出通过氟离子注入提高GaNBuffer层电势以提高器件击穿电压[44]。
目前对AlGaN/GaNHEMT器件击穿机理的研究主要是针对HEMT器件在RF领域的应用,没有考虑到HEMT在高压功率领域应用时其器件结构、高压大电流工作条件和自热效应等对器件耐压能力的影响。同时也缺乏对GaN功率器件(GaN整流器和GaN功率开关器件)全面和系统的击穿机理研究。在耐压优化技术方面,虽然提出了多场板技术、斜场板技术和各种表面钝化技术等对器件击穿电压进行了耐压优化,但尚待深入研究。
2.1.2 电流崩塌效应 AlGaN/GaNHMET器件的电流崩塌效应成为AlGaN/GaNHMET最终走向实用化的最严峻问题之一。目前认为电流崩塌效应的产生机理有以下几种
[45]
压附近的2DEG浓度。MarianL.等假设2DEG浓度与栅压是非线性关系,然而这种处理中的待定系数并不具备实际的物理意义,且需要的反复数学迭代不适用于电路模拟[47]。Rasgmi等根据AlGaN/GaN体系自发和压电效应,进一步提出改进型电荷控制模型,该模型能够比较精确地表征器件所有工作区域内2DEG浓度的变化关系[48]。M.Li等提出等通过自洽求解泊松(Poisson)方程和薛定谔(Schr 第30卷 第1期2010年3月 固体电子学研究与进展 RESEARCH&PROGRESSOFSSE Vol.30,No.1Mar.,2010 专家论坛 氮化镓功率半导体器件技术 张 波 陈万军 邓小川 汪志刚 李肇基 (电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054) 2009-07-01收稿,2009-09-05收改稿 X 摘要:作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,特别是大直径硅(Si)基GaN外延技术的逐步成熟并商用化,GaN功率半导体技术有望成为高性能低成本功率技术解决方案,从而受到国际著名半导体厂商和研究单位的关注。总结了GaN功率半导体器件的最新研究,并对GaN功率器件发展所涉及的器件击穿机理与耐压优化、器件物理与模型、电流崩塌效应、工艺技术以及材料发展等问题进行了分析与概述。 关键词:氮化镓;功率器件;击穿电压;比导通电阻 中图分类号:TN304.2;TN305 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2010)01-0001-10 GalliumNitridePowerSemiconductorDevicesTechnology ZHANGBo CHENWanjun DENGXiaochuan WANGZhigang LIZhaoji (StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicsScience andTechnologyofChina,Chengdu,610054,CHN) Abstract:GalliumNitride(GaN)isanattractivewidebandgapsemiconductorforhigh-voltage,high-temperature,high-frequency,high-powerapplicationsbecauseofitsfavorablematerialcharacteristics.Withthedevelopmentofthelarge-diameterGaNepiwafersbasedonsiliconsubstrate,GaN-basedpowerdevicesarepromisingcandidatesforthelow-cost,high-efficiencypowermanagementsolution.Inthispaper,thestate-of-theartGaN-basedpower devicesaresummarizedandsomeissuesonGaN-basedpowerdevicesandtechnologies,suchasbreakdownmechanismsandoptimizations,devicephysicsandmodels,currentcollapse,GaN-basedmaterials,areanalyzedandpresentedindetail. Keywords:galliumnitride;powerdevice;breakdownvoltage;specificon-resistance EEACC:2560P 时,诸多新型应用对功率管理单元的体积、效率以及工作稳定性提出了更高要求。然而,传统Si基功率器件的性能已逼近其理论极限,使得宽禁带半导体 50余年来,硅(Si)基功率器件获得了超过两个数量级的性能改善,目前已进入性能平稳期,其性能的进一步提升往往伴随着成本的显著增加。与此同 成为应用于功率管理的理想替代材料。在宽禁带半导体材料中,碳化硅(SiC)功率半导体技术研究起步最早,技术相对成熟。自2001年成功推出第一只商 引 言 2 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷 用SiC功率整流器以来,多种SiC功率器件产品相继研制成功并部分走向商用市场[1]。 宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点(见表1),特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率,使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率,能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求[2]。近年来,GaN在光电器件领域的广泛应用,加速了GaN材料的发展,特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步并逐步商业化,使得GaN具有更低廉的成本价格,有力地促进了GaN功率半导体器件的发展。 目前,研究高压、高温、高频和大功率GaN功率器件是国际半导体的一个热点,也是当今微电子领域的战略制高点之一。美国、日本、欧洲等国都极其重视GaN功率半导体技术的研究与开发。国内一些科研院所及高校在国家相关科技计划的资助下也开展了GaN功率器件的研究,但GaN功率器件的研究重点主要集中在GaN微波功率器件领域。 表1 功率器件常用半导体材料性能比较 Tab.1 Comparisonofthepowersemiconductormaterials Si Eg/eVni/cm-3 Er 1.1 4H-SiC3.26 GaN3.391.9×1010 9.01200(Bulk) 2000(2DEG) 2.53.31.3 现了击穿电压近10000V的GaN功率整流器(结构如图1所示)[4]。2006年,美国Auburn大学报道了击穿电压为600V,正向开启电压为1.3V,比导通电阻为2.2m8・cm的SBD器件。 与SiC材料不同,GaN除了可以利用GaN体材料(Bulk)制作器件以外,还可以利用GaN所特有的异质结结构制作高性能器件。2005年,韩国首尔大学采用多个浮空金属环结终端技术,在AlGaN/GaN结构上实现了击穿电压为930V的AlGaN/GaN [6] SBD。2008年,日本NJR(NewJapanRadio)公司在ISPSD国际会议(InternationalSymposiumon 2 [5] PowerSemiconductorDevices&IC's)上报道了采用低温淀积GaN保护层作为结终端技术的AlGaN/GaNSBD器件,在基于Si衬底的AlGaN/GaN外延材料上实现了1000V耐压[7]。日本Furukawa电子公司提出具有双金属阳极的AlGaN/GaNSBD功率整流器(结构如图2所示),正向导通时,该结构利用具有低金属功函数的金属(Al/Ti)来实现低的开启电压(～2V);而反向耐压时,利用具有高金属功函数的金属(Pt)来实现高的击穿电压(400V)。在2008年IEDM会上,日本Panasonic公司利用NaturalSuperJunction概念在AlGaN/GaN材料上实现了击穿电压高达9300V,而比导通电阻为176 2[9] m8.cm的功率二极管(如图3所示)。 [8] 1.5×10108.2×109 11.8 107002.03.03.3～4.5 Ln/(cm2・V-1・s-1)1350vsat/107(cm・s-1)Ebr/(MV・cm-1)(/(W・cm-1K) 1.00.31.5 图1 具有P保护环和场板技术AlGaN横向功率整流 器的结构示意图 Fig.1 SchematicoflateralgeometryAlGaNrectifiers employingedgetermination 1 GaN功率器件发展 1.1 GaN功率整流器(二极管) 功率整流器(二极管)是功率管理系统中极其重要的组成部分,主要包括肖特基势垒功率二极管(SBD)和PIN功率二极管。早在1999年,美国加州理工学院就报道了GaNSBD功率整流器,该结构采用Au作为阳极金属,其击穿电压为450V,正向开启电压为4.2V[3]。2001年,美国佛罗里达州立大学报道了在GaN外延层中掺入适当的Al组分(0～ ,图2 具有双金属阳极的AlGaN/GaNSBD结构图Fig.2 SchematicofAlGaN/GaNrectifierwithdual 1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术 3 近年来,虽然GaN基功率整流器已经取得大的发展,但其研究结构主要集中于传统整流器结构(SBD和PIN)。一方面,这些传统结构与最成熟的GaN基功率开关器件AlGaN/GaNHEMT结构不兼容,其发展未能兼顾器件的相互集成,不适应功率半导体向集成化、智能化、小型化发展的需要;另一方面,传统器件结构其固有的工作机理决定了该类器件具有较大的开启电压以及较高的正向导通电阻。具体而言,GaN基传统功率整流器正向导通时电子所必须跨越的势垒(PIN管的PN结势垒或者SBD的肖特基势垒,其中SBD开启电压VF如式(1)所示)使得该类器件具有较差的器件性能,不利于降低器件功耗。 VF= ** 点。该结构引起了国际同行的高度关注,《CompoundSemiconductor》和《SemiconductorToday》杂志对其研究结果进行了综述报道[12-13]。 图4 可与AlGaN/GaNHEMT集成的场控功率整流器 (L-FER)结构示意图 Fig.4 Schematiccross-sectionofthemonolithicintegrationof L-FERwithanormallyoffHEMT F ln**2+n (1) 式中,n是理想因子;T是热力学温度;q是电子电量;A是Richardson常数; JF是正向电流密度。上式中,显然低的肖特基势垒高度 B有利于降低器件开启电压,但低的 图3 具有SJ的AlGaN/GaNSBD结构示意图Fig.3 GaN-basednaturalsuperjunctiondiodeswith multi-channelstructures 图5 L-FER测试结果:(a)I-V特性;(b)正向导通特性 为了减小GaN功率整流器的开启电压和导通电阻而不影响其反向耐压,最近,作者之一陈万军等在IEEEEDL(电子器件快报)和APL(应用物理快报)上提出了一种高性能AlGaN/GaN横向场控功率整流器结构(L-FER),其结构如图4所示[10-11]。该结构通过肖特基-欧姆复合阳极,实现了肖特基栅控2DEG沟道,从而使得器件的开启电压由沟道的阈值电压(场控)决定而不再受肖特基势垒高度的影响,这是一种新的器件工作机理,突破了传统GaN功率整流器中其工作机理对器件性能的限制。从图5的测试结果可知,器件击穿电压为470V,正向开启电压仅为0.58V,比导通电阻为2.03m8・cm。该结构不仅具有高压、高速、低功耗等优点,还有与 2 Fig.5 MeasuredoutputcharacteristicsofL-FER(a) andanenlargedviewforforwardbiasregion(b) 由于在GaN材料上形成PN结技术不成熟,相对而言,GaNPIN功率整流器报道较少。2003年,日 本丰田公司和美国佛罗里达州立大学合作报道了反向耐压40V、开启电压5V、比导通电阻5m8・cm2、反向恢复时间小于600ns的GaNPIN功率二级管[14]。2006年,美国佐治亚理工学院通过掺Mg形成P型,在GaN衬底上实现了击穿电压为540V、正 2 向开启电压为4.4V、比导通电阻为3m8・cm的GaNPIN功率整流器[15]。 4 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷 GaN功率整流器的研究重点为改善器件击穿电压与正向导通特性(比导通电阻和正向开启电压)的矛盾关系,以提高器件整体性能。图6给出了目前报道的部分GaN功率整流器性能对比。从图6(a)中不难发现,虽然GaN功率整流器在导通电阻方面突破了Si材料极限,但相对于GaN材料本身而言还有很长一段距离。因此,如何进一步优化击穿电压与比导通电阻之间的关系,充分发挥GaN材料优势,仍是今后很长一段时间内GaN功率整流器研究的重点。从图6(b)可知,目前所报道的GaN功率整流器正向开启电压正逼近公式(1)的理论值(肖特基势垒高度 以突破此限制。 在高压功率器件中,如何改进器件在高速、高压与低导通电阻之间的制约关系,是高压功率器件设计中需要着重考虑的问题之一。在优化AlGaN/GaNHEMT高压功率器件击穿电压方面,研究者们提出了各种措施。2003年,美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Mishra课题组报道了基于多场板结构实现900V击穿电压、最大漏极电流700mA/mm的AlGaN/GaNHEMT器件结构(如图7所示);随后,该组采用斜场板结构,实现了高达1900V的高压AlGaN/GaNHEMT(结构如图8所示),比导通电阻仅为2.2m8.cm。2006年,美国南加州大学研究了器件表面状态对耐压能力的影响,实现了1600V高压HMET器件,其比导通电阻为3.4m8.2[18] 。在2007年的IEDM会议上,日本Panasoniccm 公司通过Poly-AlN钝化层实现了高达8300V的GaN功率开关器件(结构如图9所示),而比导通电阻仅为186m8・cm2[19]。韩国首尔大学采用新的ICP-CVD淀积方法淀积SiO2作为表面钝化层,在提高器件击穿电压的同时还增加了器件正向导通电流 [20] 2[17] [16] 。南加州大学也研究了SiO2作为钝化层对高压 AlGaN/GaNHEMT的影响,实现了击穿电压930 2[21] V,比导通电阻为2.43m8・cm的高压器件。2006年,日本Furukawa公司报道了采用SiN作为表面钝化层,器件击穿电压为750V,比导通电阻为6.3m8・cm2,开启时间仅为2.5ns[22]。 众所周知,基于AlGaN/GaN结构的晶体管是耗尽型(常开型)器件,而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率开关器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等,是功率系统中的首选器件。因此,对于AlGaN/GaNHEMT器件而言,增强型HEMT器件实现技术也是研究者们极其关 图6 (a)比导通电阻与击穿电压的关系;(b)正向开启 电压与击穿电压的关系 Fig.6 (a)Specificon-resistance(Ron,sp)versusBV forGaN-basedrectifiersreportedintheliterature; (b)Forwardturn-onvoltage (VF,on)versusBVforGaN-basedrectifiers 1.2 GaN功率开关器件 目前,基于GaN的功率开关器件主要包括AlGaN/GaNHEMT(HFET)、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等结构,其中,AlGaN/GaNHEMT具 有工艺简单、技术成熟、优良的正向导通特性和高的工作频率等优点,成为 GaN功率开关器件中最受关图7 多场板的HEMT ./ith 1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术 5 工学院T.P.Chow所领导的小组采用SiO2作为栅介质层,实现了击穿电压2500V、比导通电阻30m8.cm2、阈值电压2V的N型GaN功率MOSFET器件,其结构如图10所示。同时,该结构还采用表面注入技术形成RESURF区以优化器件表面电场。 图8 斜场板的HEMT Fig.8 AlGaN/GaNHEMTswithslant plate [29] 为了充分利用AlGaN/GaN材料优势,同时具有MOSFET所有的绝缘栅和增强型工作类型等特点,该组提出MOS-HEMT混合型功率器件,其击穿电压为1300V,比导通电阻为20m8.cm2[30]。 图9 具有Poly-AlN钝化层和深通孔的超高压 HFET结构示意图 Fig.9 Aschematiccross-sectionofthefabricated ultra high voltageand passivation HFETswithAlNvia-holesthroughthe 图10 GaNRESURF功率MOSFET结构Fig.10 Aschematiccross-sectionalviewoflateral implantedRESURFGaNMOSFET 绝缘栅控HEMT(MIS-HEMT)基本结构如图11所示。S.Yagi等研究了分别采用SiN和TiO2作为绝缘栅介质的高压功率MIS-HEMT性能,其击穿电压分别为1700V和2000V,比导通电阻为6.9m8・cm2和15.6m8・cm2[31]。2007年,该组在ISPSD国际会议上报道了采用High-k/Oxide/SiN夹层作为绝缘栅介质,其击穿电压达到1800V,比导通电阻为17m8・cm2[32]。在国内,南京电子器件研究所报道了采用AlN作为绝缘栅介质的MIS-HEMT,在漏栅电压为80V时,其栅泄漏电流较传统的肖特基栅降低1个数量级[33]。 sapphiresubstrate 注的问题。2000年,南加州大学采用P型GaN栅实现了增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为2.5 [23] V,最大漏极电流为35mA/mm。2006年,日本Nichia公司通过减薄AlGaN层实现了准增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.1V,击穿电压为610V,比导通电阻为1.9m8・cm2[24]。同年,日本Toshiba采用槽栅结构实现了准常关型高压AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.14V,击穿电压为435V,比导通电阻为4m8・cm。在国内,西安电子科技大学于2009年报道了采用槽栅结构的增强型AlGaN/GaNHEMT。2007年,日本Matsushita公司报道了具有正阈值电压的GIT器件,其阈值电压为1V,击穿电压为800V,最大漏极电流为200mA/mm,比导通电阻为2.6m8・ 2[27] 。2008年,文中作者之一陈万军等人在香港科cm 技大学采用氟等离子体处理技术,实现了常关型AlGaN/GaNHMET功率开关器件,研究了此 [26] 2[25] 图11 MIS-HEMT结构示意图 Fig.11 Aschematiccross-sectionalviewofMIS-HEMT HEMT功率器件的高温特性,该器件在温度高达250℃时,仍然表现出极佳的电特性和热稳定性。 除AlGaN/GaNHEMT功率开关器件以外,基于GaN的功率 MOSFET和MIS-HEMT结构也是[28] 图12是美国IR公司给出的GaNHEMT与Si 和SiC功率器件导通电阻比较曲线[34]。在特定的击穿电压上,GaN器件具有比Si或SiC更小的导通电 1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术 5 工学院T.P.Chow所领导的小组采用SiO2作为栅介质层,实现了击穿电压2500V、比导通电阻30m8.cm2、阈值电压2V的N型GaN功率MOSFET器件,其结构如图10所示。同时,该结构还采用表面注入技术形成RESURF区以优化器件表面电场。 图8 斜场板的HEMT Fig.8 AlGaN/GaNHEMTswithslant plate [29] 为了充分利用AlGaN/GaN材料优势,同时具有MOSFET所有的绝缘栅和增强型工作类型等特点,该组提出MOS-HEMT混合型功率器件,其击穿电压为1300V,比导通电阻为20m8.cm2[30]。 图9 具有Poly-AlN钝化层和深通孔的超高压 HFET结构示意图 Fig.9 Aschematiccross-sectionofthefabricated ultra high voltageand passivation HFETswithAlNvia-holesthroughthe 图10 GaNRESURF功率MOSFET结构Fig.10 Aschematiccross-sectionalviewoflateral implantedRESURFGaNMOSFET 绝缘栅控HEMT(MIS-HEMT)基本结构如图11所示。S.Yagi等研究了分别采用SiN和TiO2作为绝缘栅介质的高压功率MIS-HEMT性能,其击穿电压分别为1700V和2000V,比导通电阻为6.9m8・cm2和15.6m8・cm2[31]。2007年,该组在ISPSD国际会议上报道了采用High-k/Oxide/SiN夹层作为绝缘栅介质,其击穿电压达到1800V,比导通电阻为17m8・cm2[32]。在国内,南京电子器件研究所报道了采用AlN作为绝缘栅介质的MIS-HEMT,在漏栅电压为80V时,其栅泄漏电流较传统的肖特基栅降低1个数量级[33]。 sapphiresubstrate 注的问题。2000年,南加州大学采用P型GaN栅实现了增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为2.5 [23] V,最大漏极电流为35mA/mm。2006年,日本Nichia公司通过减薄AlGaN层实现了准增强型AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.1V,击穿电压为610V,比导通电阻为1.9m8・cm2[24]。同年,日本Toshiba采用槽栅结构实现了准常关型高压AlGaN/GaNHEMT,其阈值电压为-0.14V,击穿电压为435V,比导通电阻为4m8・cm。在国内,西安电子科技大学于2009年报道了采用槽栅结构的增强型AlGaN/GaNHEMT。2007年,日本Matsushita公司报道了具有正阈值电压的GIT器件,其阈值电压为1V,击穿电压为800V,最大漏极电流为200mA/mm,比导通电阻为2.6m8・ 2[27] 。2008年,文中作者之一陈万军等人在香港科cm 技大学采用氟等离子体处理技术,实现了常关型AlGaN/GaNHMET功率开关器件,研究了此 [26] 2[25] 图11 MIS-HEMT结构示意图 Fig.11 Aschematiccross-sectionalviewofMIS-HEMT HEMT功率器件的高温特性,该器件在温度高达250℃时,仍然表现出极佳的电特性和热稳定性。 除AlGaN/GaNHEMT功率开关器件以外,基于GaN的功率 MOSFET和MIS-HEMT结构也是[28] 图12是美国IR公司给出的GaNHEMT与Si 和SiC功率器件导通电阻比较曲线[34]。在特定的击穿电压上,GaN器件具有比Si或SiC更小的导通电 6 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展30卷 升空间。因此,目前对于GaN功率开关器件的研究,一方面是对已有器件继续进行优化,使其能满足军事和商业应用;另一方面继续开发更低导通压降,更 大输出功率密度和更高工作温度的新器件结构。 由发展到成熟的过程,GaN也不例外。因此,还需在以下几方面加大研究力度以加快GaN功率半导体的实用进程。2.1 机理与模型 2.1.1 击穿机理与耐压优化理论 对于GaN功率器件而言,存在诸如雪崩电离、肖特基栅漏电、GaN 表面缺陷与陷阱等原因所致的器件buffer层漏电、 击穿,其多种击穿机理并存使得GaN功率器件击穿机理极为复杂,而且各种击穿机理对器件耐压能力 的影响也不尽相同,因此对GaN功率器件击穿机理的研究以及相应的耐压优化技术研究尤为重要。 对于GaN功率器件而言,其比导通电阻(Ron)与 图12 GaN功率开关器件比导通电阻与击穿电压的关系Fig.12 Specificon-resistanceversusBVforGaN-basedpowerswitchdevices 击穿电压(VBR)的关系可以表示为(以AlGaN/GaNHEMT为例): Ron=VBR2/[qLnns(EC2-Ep2)] [38] 2 (2) 1.3 GaN功率集成技术 近年来,虽然GaN分立高压功率器件(包括功率整流器和功率开关器件)被广泛研究,对GaN智能功率集成技术的探索却相对缺乏。高度集成化的GaN智能功率技术将实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。美国伦斯勒理工学院T.P.Chow所领导的小组提出单片集成的GaNMOSFET与SBD器件结构 [35] 式中,q是电子电量;Ln是电子迁移率;ns是2DEG 浓度;EC和Ep分别是临界击穿电场和极化电场。由于GaN具有高的临界击穿电场和电子迁移率,理论上在相同的击穿电压下,GaN功率器件有更低的导通电阻。但目前GaN功率器件的性能远未达到理论值,对其击穿机理的研究有利于提升GaN功率器件的性能。 在GaN器件击穿机理研究方面,由于AlGaN/GaN体系中发生击穿时空穴电流(Ihole)主要来自雪崩电离,反向耐压时AlGaN/GaNHEMT器件的空穴电流和栅极电流(Ileakage)如式(3)所示。 Ihole=Leffaexp[-EiLeff/(Vds-Vsat)]Ids Ig=Ihole+Ileakage (3) 式中,Leff是高场区特征长度;a是常数;Ei是临界击穿电场;Vds和Vsat分别是源漏电压和饱和电压,Ids是漏极电流。N.Dyakonova等通过测试反向耐压时Ihole/Ids和Ileakage与温度的关系,得到GaN的临界击穿电场(2.6MV/cm),且雪崩击穿电压随温度的增加 。 文献[15,36]报道了单片集成功率晶体管和功率整流器的GaNBoost转换器,并在此基础上开发出GaN智能功率集成技术平台雏形(如图13所示) [37] 。 图13 GaN智能功率集成技术雏形 Fig.13 SchematicplatformofGaNsmartpower technology: integration of low-voltage peripheralandpowerdevices 而增大。然而,部分实验结果发现,GaN器件的击穿电压随着温度的增加而降低,这表明此时器件发生击穿并非雪崩击穿所致。W.S.Tan等研究了肖特基栅漏电对HEMT击穿电压的影响,并提出表面跳跃传导(Surfacehopping)机制解释击穿电压随温度增加而降低的现象[40]。该机制认为,在器件反向耐压时,由于栅极边缘的高电场使得部分电子从肖特基栅电极注入到器件栅漏表面而被器件表面态所俘获,该俘获的电子能够在高的电场下运动而形成表面泄漏电流,温度越高,电子越能获得足够的能量进[39] 2 GaN功率器件基本技术 GaN功率器件具有优越的性能,而基于硅基的GaN外延衬底能够大幅度降低成本,且在将来有望与硅基CMOS工艺兼容,因此GaN功率器件具有极 1期张 波等:氮化镓功率半导体器件技术 [46] 7 漏电流为1mA/mm作为击穿判据)器件击穿电压与温度成负温度关系。M.AsifKhan等研究了AlGaN/GaN表面态对器件耐压能力的影响,并用“虚栅”效应解释表面态对器件性能的影响以及表面钝化层提高器件耐压能力的机理[41]。T.S.Sudarshan等提出表面闪络(Surfaceflashover)机 [42] 理解释GaN器件实际击穿电压低于其理论值。G.Gradinaru等研究了Buffer层漏电对器件击穿电压的影响[43]。M.J.Wang等研究了由于源极电子注入(到GaNbuffer层)对器件击穿电压的影响,并提出通过氟离子注入提高GaNBuffer层电势以提高器件击穿电压[44]。 目前对AlGaN/GaNHEMT器件击穿机理的研究主要是针对HEMT器件在RF领域的应用,没有考虑到HEMT在高压功率领域应用时其器件结构、高压大电流工作条件和自热效应等对器件耐压能力的影响。同时也缺乏对GaN功率器件(GaN整流器和GaN功率开关器件)全面和系统的击穿机理研究。在耐压优化技术方面,虽然提出了多场板技术、斜场板技术和各种表面钝化技术等对器件击穿电压进行了耐压优化,但尚待深入研究。 2.1.2 电流崩塌效应 AlGaN/GaNHMET器件的电流崩塌效应成为AlGaN/GaNHMET最终走向实用化的最严峻问题之一。目前认为电流崩塌效应的产生机理有以下几种 [45] 压附近的2DEG浓度。MarianL.等假设2DEG浓度与栅压是非线性关系,然而这种处理中的待定系数并不具备实际的物理意义,且需要的反复数学迭代不适用于电路模拟[47]。Rasgmi等根据AlGaN/GaN体系自发和压电效应,进一步提出改进型电荷控制模型,该模型能够比较精确地表征器件所有工作区域内2DEG浓度的变化关系[48]。M.Li等提出等通过自洽求解泊松(Poisson)方程和薛定谔(Schr