GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换_赵正平

1、 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI :1013290/jcnkibdtjs201401001January 2014Semiconductor Technology Vol39No11E-mail :zhaozpcetccomcn GaN 功率开关器件的发展与微尺度功率变换赵正平(中国电子科技集团公司 , 北京 100846摘要 :GaN 材料具有高的击穿场强 、 高的载流子饱和速度和能形成高迁移率 、 高密度的二维 电子气 , 使得 GaN 功率开关器件具有关断电压高 、 导通电阻小 、 工作频率高等特点 。 GaN 功率 开关器件将成为高效率与

2、超高频 (UHF 电力电子学发展的重要基础之一 。 综述了 GaN 功率开 关器件的发展历程 、 现状 、 关键技术突破 、 应用研究和微功率变换集成 。 重点评估了常开和常关 两类 GaN 功率开关器件的异质结外延材料的结构 、 器件结构优 化 、 器件的关键工 艺 、 增 强 型 器 件的形成技术 、 器件 性 能 、 可靠性 、 应用特点和微 系统 集成 。 最后总 结了 新世纪以来 GaN 新 一 代 电力电子器件技术 进步 的 亮 点 。关键词 :常开 GaN 功率开关器件 ; 常关 GaN 功率开关器件 ; GaN 高电子迁移率 晶体管 (HEMT ; GaN 异质结场效应 晶体管

3、 (HFET ; 增 强 型 器件 ; 功率变换中图分类号 :TN323文献标识码 :A文章编号 :1003353X (2014 01000106Development of the GaN Power Switch Device andMicroscale Power ConversionZhao Zhengping(China Electronics Technology Group Corporation , Beijing 100846, China Abstract :The GaN material has higher breakdown voltage , higher car

4、rier saturation speed and higher two-dimensional electronic gas density with high mobilityIt makes the GaN power switch device have the high blocking voltage , small on-resistance , high working frequency , etcGaN power switching devices will become one of the important basis for the development of

5、efficient and ultra high frequency (UHF power electronicsThe development course , present situation , key technology breakthrough , applied research and micropower transform integration of the GaN power switch device are reviewedThe two classes of normally-on and normally-off GaN power switching dev

6、ice are evaluatedThe evaluations of the device key are heterostructure epitaxial material structure , the optimization of device structure , the key device process , the formation technology of enhancement-mode device , the device performance , reliability , application features and microsystem inte

7、grationFinally , the technology progress highlights of GaN a new generation of power electronic device in the new century are summarizedKey words :normally-on GaN power switch device ; normally-off GaN power switch device ; GaN high electron mobility transistor (HEMT ; GaN heterojunction field effec

8、t transistor (HFET ; en-hancement-mode device ; power conversionEEACC :2520D ; 2560赵正平 :GaN 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶功率开关器件的发展与微 尺 度功率变换2半 导 体 技术 第 39卷第 1期2014年 1月0引言GaN 高电子迁移率晶体管 (high electron mo-bility transistor , HEMT 由于兼有宽禁带半导体和 异质结两个特点 , 已发展成为新一代射频功率器 件 , 并将成为新一代功率开关器件 。

9、 禁带宽度为 3. 4eV 的 GaN 宽禁带半导体材料具有高击穿场强 (310 6V/cm 、 高电子饱和速度 (2. 5 107cm/s , AlGaN/GaN异质结中的二维电子气的较高迁移率 (1800cm 2/V·s 和高浓度 (2 1013cm 2 , 其归一 化电子器件优值 (BFOM 为 537; 优于 Si , GaAs和 4H-SiC (三种半导体材料的 BFOM 分别为 1, 17和 134 。 GaN 宽禁带半导体材料的特点导致 GaN 功率开关器件具有高反向关断电压 、 更高的工作频 率和更低的导通电阻等特性 。 GaN 功率开关器件采 用 SiC 衬底外延可

10、获得高的热导率 , 采用 Si 衬底 外延可增大晶圆尺寸以降低成本 。 水平结构的 GaN HEMT 、 垂直结构的 GaN HEMT , MIS-HEMT 和常 关 GaN HEMT 等功率开关器件 , 呈现出优良的低 导通电阻和高击穿电压特性 。 GaN 功率开关器件的 快速和低损耗特性将用于高效率射频发射机的高速 电源调制器 , 形成包络跟踪放大器 。 未来由 GaN 单片微波集成电路 (monolithic microwave integrated circuit , MMIC 功率放大器 、 GaN 功率开关器件 基的动态电压供电和控制电路等集成于封装中的微 系统 , 将形成微尺度功

11、率变换模块 。 GaN 微尺度功 率变换模块将成为射频领域的又一革命性的进步 , 必将有力地推动未来通信和传感系统的发展 。1常开 G aN 功率开关器件常开 GaN 功率开关器件是耗尽型 GaN HEMT ,在器件栅极下的 AlGaN /GaN异质结界面上 , 由于 自发极化和压电极化的作用导致能带弯曲 , 在 GaN 沟道里产生高面密度二维电子气 。 在栅偏压为 0V 时 , 沟道 处 于 导 通 状 态 。 自 1993年 AlGaN /GaNHEMT 第一只诞生开始 1, 该类器件的研究就沿着 射频和高压开关两个方向开展 。 1995年在 GaN 器件研究进展的综述中 2, 水平结构的

12、 AlGaN /GaNHEMT 的性能优于 GaN 异质结双极晶体管 (hetero-junction bipolar transistor , HBT 和 GaN 金属半导 体场 效 应 晶 体 管 (metal semiconductor field effect transistor , MESFET ; 栅 长 为 0. 23m , 栅 宽 为 100m 的 器 件 , 其 f T 和 f max 分 别 为 22GHz 和 70GHz ; 源漏 间 距 为 1. 75m 的 器 件 , 漏 偏 压 为 20V 。 1998年在击穿电压为 405V 的 GaN HEMT 的栅耗尽区测量

13、中 3, 表明当栅漏极加反偏时 , 栅 极一侧的耗尽区迅速向漏极延伸 , 其延伸抑制了平 均电场的迅速增加从而保证了高的栅漏电压 。 该器 件的栅漏间距为 7m , 其击穿电压为 405V 。 2000年报道了采用覆盖栅结构的 GaN HEMT 4, 金属栅 向漏的一侧覆盖在具有高击穿和高介电常数的介质 膜上 , 导致栅极漏一侧处的电场减少 , 器件的击穿 电压提高 。 该器件的栅长为 0. 5m , 栅漏间距为 13m , 其三端击穿电压提高至 570V 。 1. 1表面效应与场板结构综合设计 GaN HEMT 功率开关管的击穿电压 、比导通电阻和开关时间等主要性能 , 始于对表面陷阱效应的

14、深入研究 5, 由 AlGaN 极化电场所感生 的表面陷阱不仅为沟道提供电荷 , 而且在器件关断 时 , 延伸沟道的耗尽区以保障器件有较高的击穿电 压 , 但能级较深的表面陷阱会降低器件的开关速 度 。 该器件设计为绝缘栅结构 , 10nm 厚的 SiO 2介 质可有助于减少在高漏偏压下的栅极漏电 , 减轻了 漏电所感生的碰撞电离以提高击穿电压 。 通过适当 增加势垒层的 Al 组分从而提高沟道电荷密度和改 善欧姆接触电阻以降低比导通电阻 。 1m 栅长 , 500m 栅宽 , 20m 栅漏间距的 GaN HEMT 器件的 击 穿 电 压 高 达 1300V , 其 比 导 通 电 阻 为 1

15、. 7m ·cm 2。 采用 SiO 2/Si3N 4双介质栅结构 , 由 于势垒层顶部的 Si 3N 4介质在 AlGaN 层表面仅形成 的浅能级陷阱 , 可减少表面缺陷对器件开关速度的 影响 , 器件的击穿电压保持大于 1kV 。采用源场板结构可改善栅极漏一侧的电场分 布 , 使在无场板时栅侧下的尖峰电场由于场板效应推移 至 漏 极 之 下 6, 优 化 设 计 源 场 板 的 长 度 (L fp 、 栅漏间距 (L gd 和 GaN 沟道层的厚度 , 源 场板结构的 GaN 功率 HEMT (L fp =5m , L gd =10m 器件的击穿电压为 600V , 比导通电阻为

16、 3. 3m ·cm 2, 开关电流密度为 850A /cm2。 2005年进一步发展为源场板和漏场板的双场板结构的 GaN 功率 HEMT , 可同时降低栅极漏一侧和漏极下 的尖峰电场7, 优化场板尺寸 , 栅漏极间距 , 介质厚度等以提高击穿电压 ; 优化源漏极接触电阻和 长度以改善导通电阻 ; 两者折中设计后 , 器件可达赵正平 :GaN 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 功率开关器件的发展与微 尺 度功率变换January 2014Semiconductor Technology Vol39No13600V 击穿电

17、压和 0. 6m ·cm 2比导通电阻的设计 值 。 采用场板结构不但能提高器件的击穿电压 , 而 且能改善 GaN 功率 HEMT 的电流崩塌效应 , 以减少由电流崩塌引起器件的导通损耗 8, 该器件采 用 10nm SiN 介质栅 , 导电 SiC 衬底可形成背场板 效应 , 源场板覆盖在钝化层上并延伸到栅的上方 。 栅长 为 1. 0m , 栅 漏 极 间 距 为 8m , 栅 极 宽 为 3mm 的器件 , 击穿电压为 380V , 比导通电阻 为 2m ·cm 2, 最大漏极电流为 1. 9A 。 采用该器件 组成的 27. 1MHz 的 E 类放大器来检验电流崩

18、塌对 该器件性能的影响 。 场板的尺寸和介质设计最优的 器件 (L fp 为 4m , SiN 厚度为 200nm 所构成的 E 类 放 大 器 的 输 出 功 率 为 13. 8W , 效 率 最 高 (89. 6% , 和该器件电流崩塌最小 、 比导通电阻 最小相适应 。1. 2垂直结构与工艺和材料优化2005年报道了 Si 衬底上源穿孔接地 (SVG 垂直结构的 GaN 功率 HEMT 9, 器件的源区通过 穿孔和导电 Si 衬底相连 , 不但可增加布线的效率 和封装密度 , 而且由于背场板效应使栅极漏侧的峰 值电场大幅下降 。 栅长 1m , 栅漏极间距 7m , 500mm 大栅宽的

19、器件击穿电压为 350V , 比导通电阻 1. 9m ·cm 2, 最大漏电流 150A , 器件芯片面 积为 5. 6mm 2. 8mm 。 对 100m 栅宽小器件进行 开关特性测量 , 2kA /cm2转换 , 导通时间为 98ps , 关断时间为 96ps , 相应的导通延时和关断延时分 别为 21ps 和 23ps , 导通电流为 400mA /mm2。 器件 快的开关特性是由于 SVG 结构减小了寄生源电感 。2009年报道了蓝宝石衬底上漏穿孔接地的 10kV GaN 功率 HEMT 10, 采用厚多晶 AlN 钝化膜 (热 导率和击穿场强分别是 SiN 的 200倍和

20、2倍 , 源 场板 、 栅 场 板 和 漏 场 板 技 术 , 在 栅 漏 极 间 距 为 125m 时 , 器件关断击穿电压比 SiN 钝化提高 3倍 ; SiN 钝 化 的 器 件 的 击 穿 电 压 (栅 漏 间 距 为 80m 在 3000V 达到饱和 , 不随栅漏极间距增 加而增加 。 漏穿孔接地结构 , 由于多个金属穿孔柱 的 散 热 , 使 器 件 沟 道 温 度 下 降 了 75 。 栅 长 2. 0m , 栅漏极间距 125m 的器件 , 击穿电压为 10400V , 比导通电阻为 186m ·cm 2, 是目前报 道的击穿电压最高的 GaN HEMT 。GaN 功

21、率 HEMT 的工艺和外延材料性能的改 善将进一步改善器件的性能 。 2006年报道了 Ti /AlSi /Mo欧姆电极和低应力 SiN 钝化膜的新工艺改善 GaN 功率 HEMT 的高温等性能 11。 Ti /AlSi/Mo欧姆电极比传统的 Ti /Al电极具有更低的接触电阻 (降低了 1/3 和更好的表面形貌 , 其中势垒金属 Mo 可改善表面形貌 , 而 Si 是 AlGaN 层的施主型杂 质 。 不同介质钝化膜的对比实验表明 , 采用高折射 率而低应力的 SiN x 钝化的器件具有更低的栅漏电 流 。 栅长 2. 0m , 栅漏极间距 15m , 240mm 大 栅 宽 器 件 , 其

22、 击 穿 电 压 为 750V , 比 导 通 电 阻 6. 3m ·cm 2, 漏电流大于 20A 。 其开关工作条件 为 :漏 源 电 压 和 电 流 分 别 为 350V 和 7A , GaN HEMT 的导通延时为 7. 2ns , 比 Si MOSFET 快 4. 5倍 , 关断延时是 Si 金属氧化物半导体场效应晶体 管 (metal oxide semiconductor field effect transistor , MOSFET 的 1/10。 器件在 225 工作时 , 开关性 能无明显退化 。 同年报道了采用减少非掺杂 GaN 沟道层的剩余杂质和位错密度以减

23、少在 GaN HEMT的非掺杂 GaN 沟道中的漏电 12, 采用 Ti /AlSi欧姆电极 , 使电极的欧姆接触电阻为 8 106·cm 2。 栅长为 2. 0m , 栅漏间距为 15m , 栅宽为 0. 4mm 的器 件 , 击 穿 电 压 为 1050V , 比 导 通 电 阻 为 5 6m ·cm 2。 2008年报道了击穿电压大于 1. 8kV Si衬底上的大栅宽 GaN 功率 HEMT 13, 为达到高击穿 电压 , 采用 6m 厚 GaN 外延层以抑制垂直方向的漏 电 ; 应用深台面结构 , 以减少水平方向的漏电 ; 采 用栅 、 源场板结构和导电衬底的背场板

24、效应以抑制 器件的 电 流 崩 塌 效 应 , 改 善 导 通 电 阻 。 栅 长 为 2. 0m , 栅漏极间距为 24m , 栅宽为 260mm 的 器 件 , 击 穿 电 压 为 1. 8kV , 比 导 通 电 阻 为 7m ·cm 2; 而 340mm 大栅宽的器件的漏电流可 达到 120A 。 2010年报道了 1kV , 具有较低比导通电 阻 的 掺 杂 C 背 势 垒 GaN 功 率 HEMT 14, 在 AlGaN /GaN /GaNC 背势垒结构器件中 , 厚度为3m 掺杂 C (4 1019cm 3 的背势垒缓冲层可较 好地抑制高场下的体穿通漏电和增加对沟道中电

25、子 的限制 。 为减少掺杂 C 背势垒对导通电阻的负面 影响 (减少了 I ds 和增加了栅延时效应 , 采用增加 缓冲层和二维电子气的垂直空间的设计 , 可减少沟 道电子浓度的下降 。 栅长为 0. 7m , 栅漏极间距 为 5m , 栅 宽 为 250m 的 器 件 , 击 穿 电 压 为 938V , 比导通电阻为 0. 39m ·cm 2。 2011年报道 了采用 选 择 氟 等 离 子 处 理 工 艺 提 高 GaN 功 率赵正平 :GaN 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 功率开关器件的发展与微 尺 度功率变换

26、4半 导 体 技术 第 39卷第 1期2014年 1月HEMT 的击穿电压 15。 为避免栅极场板结构会增 加寄生栅电容的不足 , 在器件的栅极边的漏侧区进 行选择氟等离子处理 , 使栅耗尽区延伸 , 以减少该 区域存在的峰值电场 , 同时能避免在较大的反向偏 压条件下 , 在栅极边的表面电位急剧下降 。 选择氟 等离子处理后 , 器件的栅漏极反向漏电由 5A 降 至 9. 5nA , 反向击穿电压由 900V (栅漏极间距为 20m 升至 1400V 。 而由于氟等离子处理后减 少了沟道中载流子密度 , 导致器件的饱和漏电流稍 有下降 (由 492. 5mA /mm降至 412mA /mm

27、, 同时 器件的比导通电阻稍有增加 。 1. 3MO S-HE MT 结构与新材料2011年报道了利用极化结的概念研制了击穿电压 大 于 700V 的 GaN 基 超 级 HFET 16。 超 级 HFET 的 外 延 材 料 结 构 是 具 有 p 型 GaN 帽 层 的 GaN /AlGaN/GaN双异质结 , 在上面的 GaN /AlGaN和下面的 AlGaN /GaN的界面上由于极化效应 , 分 别具有负极化和正极化电荷 , 从而在两个界面上感生出二维空穴气 (1. 1 1013cm 2和二维电子气 (9. 7 1012cm 2 。 超 级 HFET 和 通 常 的 GaNHEMT 不

28、同之处是有二维空穴气和在 p 型 GaN 帽 层上的基极 , 基极和源极相连接 。 在导通时 , 超级 HFET 和通常的 GaN HEMT 工作机理相同 , 二维电 子气工作 。 在关断时 , 由于两维空穴气和二维电子 气分别通过基极和漏极实现了电荷中和 , 在基极和 漏极之间的漂移区被耗尽 , 进而形成本征半导体 区 , 使器件的击穿电压能力有较大增强 。 栅长为 3m , 栅漏极间距为 13m , 栅宽为 50m 的无场 板 的 器 件 , 其 击 穿 电 压 为 700V , 导 通 电 阻 为 15·mm ; 相同无场板的普通 GaN HEMT 的击穿 电压小于 200V

29、。 2012年报道了在直径为 150mm SOI 衬底上的 GaN HEMT , 可改善关断时的击穿电 压17。 在厚度为 650m 的 SOI (111 上异质外延 生 长 后 , 直 径 为 150mm 晶 圆 的 弯 曲 度 为 2540m , GaN 沟道的二维电子气浓度为 0. 9 1013cm 2, 迁 移 率 为 1900 2000cm 2/V·s 。 栅 长 为 2m , 栅漏间距为 10m 的器件 , 关断时击穿电压 为 290V , 比体硅衬底上的相同器件改善了 17%, 这是由于 SOI 衬底的漏电减少所致 。采用 MOS-HEMT 结构可抑制器件的栅漏电以 提

30、高 GaN HEMT 的性能 。 2008年报道了采用原子层淀积工艺形成 HfO 2介质层和 Al 2O 3界面钝化层的 GaN MOS-HEMT 18, 高 k 栅介质能转化为对栅极更有效的调制 , 以减少 MOS-HEMT 结构对器件跨 导和阈值电压的影响 。 Al 2O 3界面钝化层具有较好的钝 化 效 应 和 较 低 的 界 面 态 , HfO 2(3nm 和 Al 2O 3(2nm 的复合栅介质膜可减少器件的电流崩 塌和栅极漏电流 。 栅长 1m , 栅宽 120m 的器件 , 其最 大 漏 电 流 密 度 为 800mA /mm, 峰 值 跨 导 为 150mS /mm, f T

31、/f max 为 12GHz /34GHz , 栅 漏 电 同 比下降 6个数量级 。 MOS-HEMT 结构的功率开关 器件在近期也有了长足发展 。 2012年报道了采用 无金的 CMOS 兼容工艺 , 击穿电压为 800V , 比导 通 电 阻 为 3m ·cm 2的 GaN MOS-HEMT 开 关 管 19, 为防止金对 Si 加工线的污染 , 采用无金的 CMOS 工艺制备 Si 上的 GaN MOS-HEMT 功率开关管 。 用原子层淀积工艺形成 10nm 厚 Al 2O 3栅介质 , 栅金属层是 TaN , 欧姆接触金属层是 Al (70nm /Ti (30nm 。 器

32、件的栅长为 2m , 栅漏间距 5m , I d 低于 1mA /mm时 , 相应的器件关断击穿电压为 800V , 器件的比导通电阻为 3m ·cm 2。 栅漏电 流随栅漏极间距的增加而下降 , 当栅漏极间距为 20m 时 , 栅漏电流为 4. 22 108A /mm。 同年报 道了采 用 无 金 的 CMOS 兼 容 工 艺 , HfO 2基 GaN MIS-HEMT 功率开关管 20, 采用原子层淀积工艺 形成 5nm 厚的 HfO 2介质层 , 既是栅介质层 , 也是 器件的钝化层 ; HfO 2是高 k 介质 (约为 20 , 禁带 宽度为 5. 65eV , 其能有效地钝

33、化表面陷阱以减少 器件的电流崩塌 , 同时使器件的阈值电压漂移可忽 略 。 该器件的反向栅漏电和温度是弱相关 , 当温度 大于 210 (最高 300 时 , 其反向栅漏电趋于 饱和 。 栅长为 3m , 栅漏间距为 8m 的器件 , 其击穿电压为 800V , 比导通电阻为 2m ·cm 2, 栅 极宽为 26mm 的器件漏电流达 18A (0V , 导通电 阻为 0. 4。 同年还报道了采用射频溅射 Ga 2O 3膜 的 3. 2kV GaN MIS-HEMT 开关管 21, 低速率溅射 的 Ga 2O 3薄膜 (厚度为 8. 3nm 为栅介质与钝化层 。 当器件加栅漏电压时 ,

34、 栅极漏侧下高电场所发 射热电子会进入介质膜中 Ga 空位的深能级缺陷并 具有低的去浮获概率 , 从而使钝化层下的栅漏极之 间的耗尽层延伸以致提高击穿电压和抑制了栅漏电 流 。 栅长为 3m , 栅漏间距为 40m 的器件 , 其击 穿电压达 3200V , 栅宽为 50m 的器件的栅漏电流 为 230nA /mm。 由于在正向偏压时 , 几乎不产生电赵正平 :GaN 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 功率开关器件的发展与微 尺 度功率变换January 2014Semiconductor Technology Vol39No15子

35、向介质膜的进入而被限制在沟道中 , 所以器件的 漏电流为 618mA /mm, 和钝化前无大的变化 。 InAlN /GaN异质结比 AlGaN /GaN具有更强的 自发极化且具有晶格匹配的特点 , 因此具有更低的 导通电阻 、 更高的功率密度和更好的可靠性潜力 。 2012年已报道了 3000V 击穿电压 , 比导通电阻为 4. 3m ·cm 2的 InAlN /GaNMOS-HEMT 22, 在4H-SiC 衬底上外延生长薄 AlN 成核层后生长厚度为 0. 85m 的 Al 0. 04Ga 0. 96N 背势垒 , 由于背势垒对沟 道中二维电子气更好地限制和 AlGaN 势垒层

36、中更 高的临界电场 , 在相同的栅漏极间距下器件具有更 高的击穿电压 。 在背势垒上生长 厚 度 为 20nm 的 GaN 沟道层 , 厚度为 1nm 的 AlN 插入层和厚度为 5. 3nm 的 In 0. 17Al 0. 83N 势垒层 ; 超薄 AlN 插入层可 改善界面的粗糙度和提高二维电子气的迁移率 。 经 测 量 该 材 料 总 的 二 维 电 子 气 电 荷 密 度 为 1. 5 1013cm 2, 电子迁移率为 1389cm 2/V·s 。 栅长为 2m , 栅漏极间距为 30m , 栅极宽为 100m 的 器件 , 其 击 穿 电 压 达 3000V , 比 导 通

37、 电 阻 为 4. 3m ·cm 2; 采用原子层淀积厚主工业区 13. 5nm 的栅介质 , 栅漏电流低至 1010A /mm, 该器件综合 性能优异 , 达到较高水平的优值 (V B 2/on , sp 约为2. 1 109V 2·1·cm 2 。2常关 G aN 功率开关器件在功率开关应用中 , 特别在反向器或 DC /DC变换器的故障安全设计时 , 需要常关的功率开关器 件 。 常关的 GaN 功率开关器件是增强型器件 , 要 设法减少由 AlGaN /GaN异质结界面上极化电荷所 感生的沟道中二维电子气密度 , 使阈值电压向正方 向漂移 , 达到在栅偏压

38、为零伏时 , 沟道处于关断状 态 , 同时在正栅偏压时 , 器件要具有较大的漏极电 流和较低的比导通电阻 。 1996年报道了采用 10nm 的薄 AlGaN 势垒的 E 模 AlGaN /GaNHEMT 器件 ,其峰值跨导为 23mS /mm23, 2000年报道了采用选 择生长 pn 结栅的 E 模 AlGaN /GaNHEMT 器件 , 其峰值跨导为 10mS /mm24, 2002年报道了用反应离子 刻蚀栅挖槽的亚微米栅 E 模 AlGaN/GaNHEMT 器 件 , 其 峰 值 跨 导 为 85mS /mm, f T 为 25GHz 25, 2003年报道了采用 ICP-IE栅挖槽的

39、高跨导 E 模AlGaN /GaNHEMT 器件 , 峰值跨导为 245mS /mm,f max 为 26GHz 26, 2004年报道了高电子迁移率和高射频性能 、 Pt 基栅长 120nm 的 E 模 AlGaN /GaNHEMT 器件 , 其 f T 为 50GHz , f max 为 100GHz 27。 2. 1E 模功率器件2004年报道了 Si 衬底上的常关 AlGaN /GaN功 率开 关 管28, 采 用 MOCVD 外 延 生 长 非 掺 杂 的Al 0. 25Ga 0. 75N (25nm /AlN(5nm /掺杂 C 的 GaN (500nm /AlGaN缓冲层 (10

40、0nm /Si(111 衬底的异质结材料 , 掺杂 C 浓度为 1 1018cm 3的 GaN层是高阻沟道层 , 在 AlGaN /AlN界面上产生的二 维电子气被沟道中具有受主深能级的 C 所补偿 。 栅长 为 2m , 栅 极 宽 为 400m , 栅 漏 极 间 距 为 10m 的 器 件 , 零 栅 偏 压 时 , 漏 极 电 流 为 0. 1mA /mm, 实现了常关 , 器件的比导通电阻为 10m ·cm 2。 200mm 大 栅 宽 器 件 的 工 作 电 流 为 7A , 击穿电压为 350V 。 2005年报道了氟等离子 处理栅区后经快速退火的高性能 E 模 AlG

41、aN /GaNHEMT 器件 29, 等离子处理能有效地把具有负电 荷的氟离子注入 AlGaN 势垒层 , 并使器件的阈值 电压产生正向漂移 ; 快速退火可有效地恢复等离子 所产生的损伤 。 测量结果表明 , 氟基等离子处理使 阈值电压由 4. 0V 向 +0. 9V 漂移 , 首次看到在零 栅压时 , 器件具有零跨导 , 是真正的 E 模工作的 GaN HEMT 。 1m 栅 长 , 2m 栅 漏 间 距 的 器 件 , 其峰 值 跨 导 为 148mS /mm, 最 大 漏 电 流 密 度 为 310mA /mm, f T /f max 为 10. 1GHz /34. 3GHz , 其 性

42、 能已接近同类的 D 模 GaN HEMT 。 2006年报道了 采用 选 择 挖 槽 栅 结 构 的 常 关 高 压 GaN HEMT 器 件 30, 有选择地减薄栅下的势垒层厚度 , 仅影响 栅下的二维电子气密度 , 可有效解决高压 GaN 器 件的导通电阻增大的问题 。 采用 MOCVD 方法在蓝 宝石衬底上外延生长 AlN 缓冲层 (40nm /非掺杂 GaN 沟道层 (3m /非掺杂 Al 0. 25Ga 0. 75N 势垒层 (30nm 的异质结材料 , 在栅区用挖槽的工艺将 势垒层减薄至 8. 5 12nm , 使器件的阈值电压增至 0. 14V ; 而其他沟道区保持 30nm

43、厚 。 器件采用 源场板结构 , 场板和非掺杂的 AlGaN 势垒层可减 少栅漏侧的电场集中 。 栅长为 1m , 栅宽为 3mm , 栅 漏 间 距 为 8m 的 器 件 , 其 比 导 通 电 阻 为 4m ·cm 2, 击穿电压为 435V 。为解决具有薄势垒的常关 GaN HEMT 器件漏 极电流较小的问题 , 2007年报道了利用电导调制赵正平 ： GaN 功率开关器件的发展与微 尺度功率变换 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 常 关 GaN 功 率 开 关 效应 的 栅 注 入 晶 体 管 31 管 ， 在 A

44、lGaN / GaN 异 质 结 上 选 择 生 长 厚 度 为 100 nm的 p 型 AlGaN 栅， 当栅压为0 V 时， 栅下的 沟道全耗尽，无漏极电流。 当栅压达到 pn 结的正 向内建电压 V f 时， 器件开始导通； 当栅压大于 V f ， 导致 p 型 AlGaN 向沟道注入空穴。 为了保持电中 性，源区有等量的电子流入，这一电导调制效应将 导致漏极电流的较大增加。 栅长为2 m， 栅漏间 距 为 7. 5 m 的 器 件， 其 比 导 通 电 阻 为 2. 6 m·cm2 ，击 穿 电 压 为 800 V， 阈 值 电 压 为 1 V，最大漏电流为200 mA /

45、mm， 正向栅压可达到 6 V。2008 年报道了采用 AlGaN 缓冲层和 V 型栅结 32 构的常关 GaN HEMT ，在 Al0. 04 Ga0. 96 N 缓冲层和 GaN 沟道之间的界面会产生负极化电荷 ，其能有效 地耗尽沟道中的二维电子气并使阈值电压向正方向 漂移； 因而顶部的 AlGaN 势垒层可保持厚度和 Al 组 分 不 变。 V 型 栅 可 减 少 栅 到 沟 道 的 距 离 （ 5 nm） ，并使栅面从 GaN 帽层 / AlGaN 的界面进入 具有更高击穿场强的 AlGaN 势垒层； 该结构有利 于常关工作和获得高的跨导， 同时深 V 槽栅可驰 豫栅边缘电场集中，在脉

46、冲工作时，抑制导通电阻 退化。栅长为 0. 9 m， 栅宽为 150 m， 栅漏间距 为1 m的器件， 其击穿电压为 90 V， 最大漏电流 f T / f max 为 为 0. 28 A / mm， 导 通 电 阻 为 3. 4 ·mm， 23 GHz /63 GHz。2009 年报道了 E 模 SiN / AlGaN / GaN / AlGaN 双异质结场效应管33， 原位生长厚度 为50 nm 的 SiN 膜将提供足够的电荷以中和 AlGaN 势垒层的表面电荷，以致表面电荷所产生的表面势 不再贡献于沟道中二维电子气的 耗 尽。 在 Ni / Au 栅金属化之前， 选择去除栅极下

47、的可提供电荷的 SiN 膜以调节上述 AlGaN 的表面势， 使栅下的沟道 达到耗尽； 而保留 SiN 膜的栅源极之间和栅漏极之 间的 沟 道 区 域 仍 具 有 较 低 的 导 通 电 阻。 厚 度 为 4 nm的 Al0. 45 Ga0. 55 N 势垒顶层使在高漏极压下器件 的击穿电压不退化，同时由于栅接近沟道可获得较 大的跨导。近2 m的 Al0. 18 Ga0. 82 N 背势垒可将电子 约束在沟道中， 阻止电子溢流进缓冲层和 Si 衬底 而降低在器件具有较大栅漏极间距时 ，在金属极与 Si 衬底之间存在的双垂直通路对击穿电压的影响 。 栅长为1. 5 m，栅漏极间距为8 m的器件，

48、其导通与 7 关断电流比为 10 ，最大漏电流 Id 为0. 25 A / mm，峰 2 值跨导为210 mS / mm，比导通电阻为2. 4 m·cm 。 Vgs 为0 V时，Vds 击穿电压为710 V，在 Vds 低于560 V之 前，漏电流小于5 A / mm。 2. 2 HEMT 等新结构 隧穿结、三栅和混合 MOS基于后 CMOS 逻辑电路研究中的 Si 和 Ge 基 MOSFET 的肖特基源和漏极的启发，2011 年报道 34 了常关 GaN 隧穿结 FET ，是以 GaN HEMT 为基 础，但其源区是金属 二维电子气隧穿结 （ Au / Ti 金属 / AlGaN

49、侧面的肖特基结） ，并被隧穿结上的覆 盖栅极 / Al2 O3 结构所控制，沟道电流的导通与关断 主要由隧穿结所控制而不是二维电子气沟道 。栅极 电压可控制隧穿结势垒的宽度，当负栅压和零栅压 时，隧穿结势垒增厚 （ 大于 10 nm ） ， 器件处于关 断状态。当加正栅压时，沟道中二维电子气密度上 升，隧穿结处的导带下降，隧穿势垒变薄 （ 1 nm ） ， 隧穿电流大量通过势垒，器件处于导通状态。由于 源区的金属 二维电子气隧穿结的量子隧穿效应， 能实现 高 效 率 的 载 流 子 注 入， 因 此 栅 长 为 2 m、 栅漏间距为 2 m 的器件， 能获得较高的导通与关 10 断电流比 （

50、10 ） ， 较大的 I d （ 0. 326 A / mm ） 。 由 于关断时源区的结是反偏置的肖特基结 ，其关断漏 8 电流较 小 （ 10 A / mm ） 。 栅 漏 极 间 距 分 别 为 2 ， 5 ，10 和15 m的器件， 其相应的击穿电压分别为 274 ，369 ，521 和 557 V， 相应的比导通电阻分别 2 为 0. 69 ，1. 06 ，1. 66 和2. 74 m·cm 。 为保持低 导通电阻的同时大幅降低关断的漏电流，2012 年 35 报道了常关的三栅 GaN MISFET ， 在 Si 衬底上 形成 GaN 帽 层 （ 2 nm ） / AlGa

51、N 势 垒 层 （ 18 nm ） / iGaN（ 1. 2 m） / AlN / GaN 缓冲层的材料结构， 经 选择刻蚀工艺得到该器件的源区和漏区之间的沟 道，其由长度为 660 nm， 宽度周期 为 300 nm 的 多 沟槽结构组成。 三栅立体结构的边墙 （ 深250 nm， 顶宽90 nm） 包围了鳍形沟道的三个面， 在鳍形沟 道的 AlGaN 层顶部有深度为30 nm 的挖槽所形成的 120 nm 长 的 常 关 区； MIS 的 栅 介 质 由 SiO2 （ 9 nm） / Al2 O3 （ 7 nm） 复合介质组成，使器件的 栅漏电降至0. 1 nA / mm。三栅和亚微米栅挖

52、槽相结 合的结构，比平面栅对沟道中的电子有更好的静电 控制； 使 器 件 的 亚 阈 值 斜 率 变 小 （ 90 mV / dec ） ； 同时由于三栅立体结构使鳍形沟道的三个面同时耗 尽，使阈值电压向正方向漂移， 在0 V 栅压时， 使 I d 低于0. 5 nA / mm。 （ 下转第 13 页） 2014 年 1 月 6 半导体技术第 39 卷第 1 期 苏秋杰 等： 基于 BiCMOS 工艺的 180 GHz 信号产生、调制与探测电路 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 of Technical Papers San Fra

53、ncisco， CA， USA，2010 ： 416 417 9 WANNE ，LACHENE ，OLBICH G Monolithically integrated SiGe pushpush oscillators in the frequency range 50 190 GHz spread spectrum techniques th and applications C Proceedings of IEEE the 9 Inter- 12 KENNETH K O， CHANG M C F， SHU M， et al Submillimeter wave signal genera

54、tion and detection in C CMOS Proceedings of IEEE International Microwave Symposium Digest Boston， MA， USA， 2009 ： 185 188 （ 收稿日期： 2013 09 02 ） 作者简介： 苏秋杰 （ 1988 ） ，女，天津人，硕士研 究生，主要研究方向为射频与太赫兹集成电路 设计； national Symposium on Digital Object Identifier Manaus Amazon，Brazil，2006 ： 26 30 10 HUANG D Q，LAOCCA T ，CHANG M C F Terahertz CMOS frequency generator using linear superposi IEEE Journal of SolidState Cirtion technique J cuits，2011 ，43 （ 12 ） ： 2730 2738 11 HAN N， ZHANG Y M， COQUILLAT D， et al A 280 GHz schottky diode dete