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[科普] 增强型HEMT器件介绍

[科普] 增强型HEMT器件介绍

2024-05-08 10:21
随着电力转换系统功率密度和工作频率的不断提高 ，需要开发性能优于传统半导体的功率器件。氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的典型代表 ，被认为是提高大功率电力系统转换效率的新一代功率器件的主要候选材料。在操作类型方面 ，增强型（也称为常关型）器件具有安全 、能简化电路设计以及更优的电路拓扑设计等优势 ，在行业应用中更具吸引力。本文简单介绍下增强型HEMT。
目前 ,在第三代半导体材料中 ,氮化镓( GaN) 和碳化硅( SiC) 的发展较为成熟 ,且材料本身具有大的临界击穿电场 、耐高温和抗辐照等特点 ,所以更适合制作电力电子器件。 目前，SiC在高压(高于1200 V) 市场占据明显优势 ,但在功率转换和高频工作方面,GaN具有更加明显的优势 。GaN 转换器的低损耗归因于其低的开关损耗 ,这是由于GaN相比于SiC 具有更好的电子传输能力。沿Ga面方向外延生长的结构存在较强的自发极化和压电极化效应 ,这会导致GaN材料的异质结结构(典型如AlGaN/GaN) 界面处产生高浓度的二维电子气(2DEG),因此 GaN 器件具有更低的导通电阻。在相同耐压等级下 ,GaN 材料更适合制 作高效的电力电子器件 ,特别是横向结构的高电子迁 移率晶体管(HEMT),其导通电阻比 Si 器件的导通电 阻低 1~2个数量级 ,与同为第三代半导体材料的 SiC 器件相比 ,其导通电阻减小1/2~ 1/3。
从器件结构看,GaN器件分为纵向和横向结构 。纵向结构的器件需要用到 GaN自支撑衬底 ,而目前来看 ,GaN自支撑外延片的成本较高,且GaN自支撑衬底的外延片尺寸较小,这就使得单个器件的成本更高 。横向器件从开关类型看 ,分为耗尽型(常开型 ,D-mode) 和增强型(常关型 ,E-mode) 器件。由于AlGaN/GaN 界面会产生高电子浓度(约 1013 cm -2 .eV -1)、高 迁移率 [ 约2000 cm2/( V .s) ]的2DEG ,传统的 GaN HEMT是耗尽型的 ,即器件栅极在 零偏压下沟道中仍然存在高浓度的 2DEG ,使器件处于开启状态 。而增强型器件在栅极零偏压时可以耗尽 栅下沟道中的 2DEG ,使器件处于关断状态。增强型器 件也因此具有安全、节能和能简化电路设计等方面的 优势 ,是未来功率器件的重要发展方向。
从市场应用角度来看 ,以耐受电压 600~ 1200 V 为 界 ,低于 600 V 的市场以 GaN 为主 ,主要面向消费类电子领域 ,这是目前 GaN 材料切入市场的最主要突破口 。600~ 1200 V 这一区间是 GaN 与 SiC 共存的领域 ,   其主要应用在电动汽车( EV) 与混合动力汽车( HEV)的转换器以及可再生能源的逆变器中。高于1200 V 的市场以 SiC 为主 ,未来GaN 材料的晶体质量若能进一 步提高,体材料的缺陷密度进一步减小,或纵向结构的GaN 器件技术成熟度提高 ,其也会在高电压市场中展现出更强大的竞争力 。
从基础科研到产业化 ,有若干个重要指标可以评估 GaN 增强型 HEMT器件的性能 ,典型的有击穿电压 VB、阈值电压 Vth、开态电阻Ron、饱和电流密度IDS、栅耐压、阈值电压滞回等 。本文回顾了一系列增强型器件的实现方案 ,着重介绍了基于栅凹槽结构的功率器件技术方案以及若干重要工艺 ,并提出了未来可能的技术方案。
耗尽型 HEMT器件：
由于耗尽型 HEMT 器件的栅极无需复杂的特殊加工工艺，所以器件技术成熟较早，随着制作工艺的不断完善；器件的导通电流、击穿电压、特征电阻等关键参数已经取得较为理想的结果。
GaN D-mode HEMT 器件结构耗尽型 GaN HEMT 在产业界面临的可靠性问题主要有电流崩塌、硬开关模式下阈值电压的漂移等， 这些可靠性问题与场板的设计、栅介质层的选择、GaN 缓冲层的设计和钝化层材料的选择等有关。需要对器件的制作工艺细节进一步优化，以提高器件的可靠性。

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增强型 HEMT 器件：
实现增强型 GaN HEMT 器件操作的方法有几种，主要是基于耗尽/减弱 AlGaN/GaN 异质结界面处的极化电荷来实现的。
几种实现增强型操作的主流方案包括凹栅结构、氟化栅结构和 p-GaN 插入层结构。除此之外，共源共栅级联 cascode结构、薄势垒结构 UTB和纵向短沟道结构 VG-HEMT也可以实现器件的增强型操作。

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栅区势垒层的刻蚀往往会引入界面态，对器件性能造成不良影响，同时刻蚀精度的控制也会影响器件 的阈值电压和导通电阻。
凹栅结构一般都会使用金属-绝缘体-半导体（MIS）/金属-氧化物-半导体（MOS）结构这能够使器件栅极具有更大的安全工作范围和更低的泄漏电流。然而 MIS/MOS 结构的器件阈值电压的稳定性较差，这主要是由介质层/半导体界面的电荷和陷阱引起的，有报道称在氧化物/三族氮化物界面处的界面陷阱密度 Dit 较高，这会导致栅泄漏电流的增加和阈值电压的不稳定。因此，为追求高性能的 GaN HEMT 器件，栅槽的界面态与介质层的质量是重要的指标。
基于 p-GaN 插入层结构的增强型 HEMT 器件，p-GaN 插入层结构同样是一种实现 HEMT 器件增强型操作的方案，这种结构的优势在于可以排除栅介质层对器件的影响，而其典型劣势源于p-GaN 和下方AlGaN形成的 p-n 结，该 p-n 结在栅极施加正电压超过某一阈值时会正向开启， 进而导致栅极电流增加，造成器件失效。
基于 cascode 结构的增强型器件，级联技术是实现增强型操作的一个重要技术路线，其将一个Si MOS管与一个耗尽型的GaN基HEMT采用共源共栅的方式连接。器件整体外接的D为 HEMT 的漏极，外接的S为MOS 管的源极与HEMT的栅极，外接的G为MOS管的栅极，MOS管的漏极与 HEMT 的源极相接。当G端施加电压大于 MOS 管的阈值电压时，MOS管导通，其源、漏2端产生较大电流，并且2端的压降可以忽略。同时，这意味着HEMT的源、栅2端电压也近似相等，即栅压为 0 V，耗尽型 HEMT导通。因此任何施加在器件D端的电信号都会产生一个电流，通过由 HEMT与MOS管 串联的电路，器件整体导通。同理，当G 端施加电压小于 MOS 管的阈值电压时，MOS 管关断，其源、漏 2 端 产生较大压降，HEMT 的源、栅 2 端的电压差同样明 显，HEMT 中的栅压小于阈值电压，且小于0V，耗尽型 HEMT 关断，HEMT与MOS管相串联的电路整体 关断。
级联技术的优势在于其绕过了增强型 HEMT 的 技术难点，采用现阶段技术极为成熟的 Si 基 MOS 管 来实现增强型操作。理论上，cascode 晶体管所需的栅 驱动与传统 Si MOS管一致，简化了驱动电路的额外设计。但级联技术的劣势也极其明显，它会增加后续封装技术的复杂性；在高温下，器件仍然受 Si 管性能 的限制，GaN 基 HEMT 的优势难以体现。由于 2 种晶体管的特殊连接方式，会形成 cascode 器件的内部回 路，增加器件内部的寄生电感；由于 Si 管本身的电子迁移率较低，级联晶体管很难在高于 1 MHz 的高频应用场景中使用。
其他增强型器件方案，氟化栅结构的增强型 HEMT 的特点在于栅区势垒层中的离子注入， 一般情况下会注入氟离子。除此之外，VG-HEMT 结构也可以实现 HEMT 器件的增强型操作，它通过将器件沟道的一部分转化为纵向，由于纵向部分并无 2DEG，所以器件在栅极零偏压下处于关断状态。END
（说明：文字仅限技术交流，旨在促进行业进步。图片来自文献。）
编辑：辛路
E-mail：hsglb2005@163.com
参考：黄火林. "GaN 基增强型 HEMT 器件的研究进展." 电子与封装 23(1). (2023)



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