穆昌根，黨 睿，袁 鵬，陳大正

（1.西安電子科技大學微電子學院，西安 710071；2.西安航天精密機電研究所，西安 710100）

1 引言

氮化鎵（GaN）材料近年來發(fā)展勢頭迅猛，被業(yè)內(nèi)人士譽為第三代半導體材料，因其具有寬帶隙、高電子漂移速度、抗輻射、耐高溫等優(yōu)良的物理特性，逐漸成為高頻、高溫、高效率、抗輻射等領(lǐng)域的熱門研究對象[1]。目前開發(fā)成熟的GaN基功率器件大多是GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件，良好的性能使其在消費類電子產(chǎn)品、軌道交通、工業(yè)設(shè)備及通信基站等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

對于GaN HEMT器件，由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處內(nèi)部存在的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)共同作用，產(chǎn)生了大量二維電子氣（2DEG）[2]，使得GaN HEMT器件在無外界偏置情況下仍然存在天然的導電溝道，使器件在零偏壓下處于導通狀態(tài)，所以一般的GaN HEMT器件為耗盡型（D型）器件。自1993年KHAN等人[3]成功制備第一個耗盡型GaN HEMT器件以來，由于該器件在無外加偏置電壓情況下會引起較大的導通電阻和較高的開關(guān)損耗，同時還需要額外的負偏置電壓來維持非工作狀態(tài)而增加器件功耗，如今的耗盡型GaN HEMT器件的應(yīng)用受到了極大的限制。反之，具有正向開啟電壓的增強型（E型）GaN HEMT器件因其本身所表現(xiàn)出的良好失效保護功能、快速開關(guān)速度和低反向?qū)〒p耗等顯著性能[4]，在應(yīng)用上作為實現(xiàn)單片集成的GaN基互補邏輯（CL）的基本單元，日益成為研究者們關(guān)注的對象。實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的關(guān)鍵在于通過一定方法盡可能使柵下異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG耗盡。自相關(guān)研究者于1996年成功制備增強型的薄勢壘AlGaN/GaN HEMT器件[5]以來，研究者們通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進工藝，提出了多種實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的方法，其中常見的有p型柵技術(shù)[6]、凹柵結(jié)構(gòu)[7]、共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)[8]、氟離子處理法[9]、減薄勢壘[10]及它們的改進結(jié)構(gòu)等，這些技術(shù)大大改善了GaN HEMT器件的工作性能。

本文綜述了使用以上方法制備的增強型GaN HEMT器件及它們的優(yōu)勢和缺陷，分別對增強型GaN HEMT器件的最新研究進展和業(yè)界最新的GaN器件解決方案進行了總結(jié)及介紹，探討了未來增強型GaN HEMT器件的發(fā)展方向。

2 增強型GaN HEMT器件的實現(xiàn)方法

增強型GaN HEMT器件在應(yīng)用中有著獨特的性能優(yōu)勢，針對如何制造出性能優(yōu)良的增強型GaN HEMT器件的問題，目前提出的幾種常見解決方案中有些已成功應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，以下分別對這幾種方案進行綜述。

2.1 p型柵技術(shù)

最具代表性的增強型GaN HEMT器件實現(xiàn)方法是p型柵技術(shù)[11]。該技術(shù)由豐田公司于2007年首次提出[12]，后來逐漸發(fā)展成為商用主流技術(shù)之一。此類增強型器件通過在AlGaN勢壘層上方淀積一層Mg離子摻雜的p-GaN帽層，再在該帽層上濺射金屬柵極而成。其中，Mg離子摻雜的有效濃度及p型柵帽層的厚度等與器件的導通電阻及閾值電壓等有著密切的聯(lián)系。圖1（a）為p-GaN帽層增強型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)。在零偏壓的情況下，p-GaN帽層可以將AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的導帶能級提升至費米能級以上，耗盡異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG，導致柵下有效溝道夾斷。當施加一定的正向偏置電壓后，隨著柵下2DEG的恢復，HEMT器件隨之開啟。使用p-GaN帽層前后異質(zhì)結(jié)處能帶的變化如圖1（b）所示，圖1（b）中E為能量，△Ec為AlGaN和GaN之間的導帶底在交界面的帶階，△Ef為GaN內(nèi)部和GaN表面的費米能級之差，d為AlGaN勢壘厚度，φB為肖特基勢壘高度，Ec為GaN的導帶底。

圖1 增強型p-GaN帽層HEMT結(jié)構(gòu)及有無p-GaN層的能帶變化

該技術(shù)實現(xiàn)的增強型器件閾值電壓較穩(wěn)定、導通電阻低、可靠性強，但同時也面臨著柵控能力減弱、寄生電容增加等問題。

2.2 凹柵結(jié)構(gòu)

早在2003年，OKITA等人[14]就使用凹柵刻蝕的方法成功制備了增強型的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件，其相關(guān)研究一直在進行，凹柵刻蝕實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的原理就是通過一定手段對柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處一定厚度的勢壘層進行部分刻蝕或完全刻蝕，其不僅降低了柵下的極化電荷密度，也減小了柵極金屬和溝道的距離，同時利用肖特基接觸產(chǎn)生的電場，共同耗盡柵下感應(yīng)的2DEG，從而實現(xiàn)增強型GaN基器件的目的。從能帶結(jié)構(gòu)上看，則為勢壘層導帶能級下降不足導致二維勢阱消失，進而使2DEG耗盡。圖2為凹柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增強型GaN基器件的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 凹柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)

凹柵GaN HEMT器件不僅提高了器件的柵控能力，還大大改善了增強型器件的頻率及跨導，但在刻蝕過程中引入的刻蝕損傷及界面態(tài)會嚴重影響此類器件的性能可靠性，盡管這種影響可通過淀積柵介質(zhì)得到改善，但目前仍限制著其商業(yè)應(yīng)用。

2.3 Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)

采用Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的技術(shù)也已成功用于商業(yè)市場。作為一種Si基功率器件向純GaN基功率器件的過渡技術(shù)，傳統(tǒng)的Cascode FET采用Si基MOSFET和常開耗盡型GaN HEMT器件聯(lián)接，然后將它們封裝在一起，而對外整體呈現(xiàn)為增強型。圖3是其相應(yīng)級聯(lián)的等效電路結(jié)構(gòu)圖，該圖展現(xiàn)了其基本的連接形式，Si基晶體管的漏極與D型GaN HEMT器件的源極相聯(lián)，而D型管的柵極與Si基晶體管的源極相聯(lián)，同時Si基MOSFET的柵極閾值電壓作為整個器件的閾值電壓，控制著Cascode器件整體的導通與關(guān)斷。

圖3 Cascode結(jié)構(gòu)等效電路

采用傳統(tǒng)Cascode級聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)的增強型器件閾值電壓高且穩(wěn)定，并且能夠和現(xiàn)有的Si電路匹配良好，但是由于其自身存在的電容失配問題，在耐高溫和小型化設(shè)計方面遠不及非級聯(lián)的增強型GaN基HEMT器件，限制了其未來進一步的應(yīng)用。

2.4 氟離子處理技術(shù)及減薄勢壘層法

使用氟離子注入技術(shù)制備增強型GaN HEMT器件，通常是在柵極沉積前通過一定技術(shù)對柵下AlGaN勢壘層注入一定劑量及能量的氟離子。由于氟離子對外整體呈現(xiàn)負電性，進入到AlGaN勢壘層中的氟離子形成了帶負電的固定電荷，從能帶結(jié)構(gòu)上看，其在提高勢壘層勢壘高度的同時，提高了異質(zhì)結(jié)界面處的導帶能級，當導帶能級底部超過費米能級時，該異質(zhì)結(jié)處的二維勢阱消失，進而使柵下溝道中的2DEG耗盡，達到正向移動閾值電壓的目的。圖4（a）為使用氟離子處理技術(shù)實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)。采用氟注入法制成的增強型GaN HEMT器件通常能夠達到很高的正向閾值柵電壓，同時，結(jié)合柵介質(zhì)層能夠很好地抑制柵泄漏電流、提升柵擺幅，然而離子注入會形成大量的空態(tài)及界面態(tài)，對勢壘層造成損傷，會使閾值電壓的穩(wěn)定性變差[15]。

減薄勢壘層法通過改變AlGaN勢壘層的厚度d，使勢壘層的極化電荷密度降低，當降低至一定值時，溝道便不會感應(yīng)生成2DEG；從導帶結(jié)構(gòu)上看，和凹柵刻蝕技術(shù)相似，減薄勢壘層后，因勢壘層的導帶下降不足使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處導帶上升或抬升到費米能級以上，使原本存在的二維勢阱消失，從而耗盡2DEG，實現(xiàn)器件的增強型工作。減薄勢壘前后異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，其中Ef代表費米能級，d1代表常規(guī)GaN HEMT器件中AlGaN勢壘層的厚度，d2代表薄勢壘GaN HEMT器件中AlGaN勢壘層的厚度。雖然薄勢壘形成的增強型器件避免了由凹柵刻蝕帶來的損傷和界面態(tài)，但傳統(tǒng)的薄勢壘器件通常都面臨著溝道中2DEG密度降低、導通電阻變大的問題。

圖4 氟離子注入型器件結(jié)構(gòu)及D型與薄勢壘器件能帶對比

3 增強型GaN HEMT器件的最新進展

近幾年來，隨著新技術(shù)及新結(jié)構(gòu)的運用，增強型GaN HEMT器件的相關(guān)性能不斷提高，各項性能指標都不斷接近GaN基器件的理論水平，同時相關(guān)的商業(yè)產(chǎn)品也在不斷推出，這里對最新的研究進展進行總結(jié)，并介紹相關(guān)制造商近幾年推出的增強型GaN器件解決方案。

3.1 p型柵技術(shù)的最新進展

在p型柵技術(shù)中，使用p-GaN帽層是最成熟的，近年來，國內(nèi)外研究者在該技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷進行著工藝或結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和創(chuàng)新。2018年LIN等人[16]通過兩步數(shù)字刻蝕（DE）工藝制備了p-GaN柵HEMT器件，在循環(huán)刻蝕過程中移除了不需要的p-GaN帽層，最大程度上減少了對材料的損傷，圖5（a）所示為刻蝕工藝流程，圖5（b）所示為p-GaN非柵區(qū)刻蝕深度。當源極和漏極的間距LSD=20 μm時，該器件實現(xiàn)了較大的閾值電壓（2 V），漏電流密度達到了211 mA/mm，同時靜態(tài)導通電阻降低至17.3 Ω·mm，其開關(guān)電流比及擊穿電壓分別達到1.2×106和426 V。

針對傳統(tǒng)的p-GaN層形成的增強型器件擊穿電壓較低的問題，一般通過各種場板結(jié)構(gòu)的設(shè)計來提高擊穿電壓。2019年JIANG等人[17]通過設(shè)計T型柵接觸場板和減少金屬/p-GaN接觸外沿，使該器件不僅通過抑制AlGaN表面附近p-GaN邊沿的電場峰值提高了器件的擊穿電壓，還保護了p-GaN/AlGaN/GaN結(jié)的完整性，從而在關(guān)斷狀態(tài)下，柵被擊穿后仍然保存著對電壓的阻斷能力，使器件不受進一步的損壞。其擊穿電壓達到1100 V時，閾值電壓可達2.3 V，最大漏電流為610 mA/mm，亞閾值擺幅（SS）及開關(guān)電流比分別達到66 mV/dec和5×108。圖6（a）為該GaN器件的結(jié)構(gòu)，其中LGS為柵源間距，LG為柵極長度，LGFP為漏極方向的柵場板長度，LGD為柵漏間距，圖6（b）為有無T型場板的電場分布對比，其中VGS代表加在柵源間的電壓，VDS代表加在漏源間的電壓。

圖5 數(shù)字刻蝕工藝流程及非柵區(qū)帽層刻蝕深度示意圖

2020年HU等人[18]通過使用源場板和柵場板的雙場板組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電場的均勻分布，提高了擊穿電壓（600 V），減少了界面附近的電荷捕獲效應(yīng)，同時結(jié)合NH3等離子體處理還顯著降低了該器件的動態(tài)導通電阻Ron，在200 V電壓阻斷后導通電阻僅增加了50%，從而有效抑制了電流崩潰效應(yīng)，其閾值電壓達到3.7 V，飽和電流為132 mA/mm。為了使器件的擊穿電壓和導通電阻實現(xiàn)良好的性能折中，2021年WEI等人[19]用選擇性氫等離子體處理p-GaN，實現(xiàn)了一種橫向耦合p-GaN柵HEMT器件，其器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。當各p-GaN條的寬度Wp和相互間的間距WHR設(shè)計得足夠小時，耗盡區(qū)的耦合效應(yīng)可使器件擊穿電壓和導通電阻的折中良好，當p-GaN和漏極的間距LPD=10 μm時，器件性能達到最優(yōu)，導通電阻低至11.54 Ω·mm的同時擊穿電壓可達到880 V。

圖6 增強型器件結(jié)構(gòu)及有無場板的電場分布對比[17]

圖7 一種橫向耦合p-GaN柵HEMT器件[19]

同年JIANG等人[20]通過改進上述增強型p-GaN HEMT器件工藝，用原子層沉積（ALD）技術(shù)沉積Al2O3代替等離子增強化學氣相沉積（PECVD）技術(shù)沉積SiN作鈍化層，并進行高電阻率緩沖層優(yōu)化生長，在保持此前報道的閾值電壓、亞閾值擺幅等性能參數(shù)的同時，進一步提高了器件的擊穿電壓（1344 V）及導通電阻（約14 Ω·mm）的折中關(guān)系，同時其峰值跨導達到135 mS/mm，表征功率特性的Baliga優(yōu)值（BFOM）達到461 MW/cm2。盡管p-GaN HEMT器件是p型柵器件中最成熟的，但其固有的Mg摻雜難激活等問題始終限制著器件性能的大幅提升，因此p型金屬氧化物帽層的研究一直在進行。2022年，西安電子科技大學的CHEN等人[21]通過磁控濺射沉積p-SnO代替p-GaN作為AlGaN/GaN HEMT的柵帽層，在未經(jīng)優(yōu)化的器件上實現(xiàn)了1 V的閾值電壓及420 V的器件擊穿電壓，表明其擁有巨大的應(yīng)用潛力。

3.2 使用凹柵結(jié)構(gòu)的最新進展

針對傳統(tǒng)凹柵刻蝕形成的增強型器件出現(xiàn)大量的刻蝕損傷及界面態(tài)所導致的柵泄露等問題，一般都是通過沉積各種不同的柵介質(zhì)及改進生長工藝來降低損傷及界面態(tài)帶來的影響，提高器件閾值電壓及頻率特性等。2019年LI等人[22]通過將硅原子加入到原子層沉積的柵介質(zhì)HfO2中改善了增強型GaN MOS-HEMT器件的相關(guān)性能，與傳統(tǒng)的HfO2柵介質(zhì)相比，其界面陷阱密度降低了一個數(shù)量級，內(nèi)部的固定氧化層陷阱減少了一半，表現(xiàn)出很好的頻率特性和器件可靠性，其閾值電壓為1.5 V，SS低至65 mV/dec，電流開/關(guān)比高達1010以上，而最大擊穿電壓（742 V）比傳統(tǒng)的HfO2柵介質(zhì)的HEMT器件提高了30%。而在改進工藝方面，2020年，ASUBAR等人[23]提出了生長在SiC襯底上的凹柵刻蝕結(jié)合金屬有機物氣相外延（MOVPE）再生AlGaN勢壘層技術(shù)的增強型MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)，圖8（a）為該GaN器件制造流程圖，圖8（b）為該器件的結(jié)構(gòu)圖。通過再生工藝形成一層新的半導體-絕緣體界面，極大地降低了干法刻蝕對2DEG密度和遷移率造成的影響，其閾值電壓達到5 V，最大漏電流達到425 mA/mm，而關(guān)斷狀態(tài)下漏擊穿電壓為120 V。

此外，2021年，CAI等人[24]提出以在凹柵下沉積Al2O3/ZrOx/Al2O3電荷俘獲介質(zhì)層的方式降低刻蝕帶來的影響，當柵漏間距LGD=5 μm時，其閾值電壓為（1.55±0.4）V，最大漏電流密度為（730±6）mA/mm，導通電阻為（7.1±0.2）Ω·mm，同時，器件還表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性擊穿電壓（1447 V）。盡管該器件在實際使用中需要進一步優(yōu)化閾值電壓的穩(wěn)定性，但通過使用ZrOx電荷捕獲層來實現(xiàn)高閾值電壓和低導通電阻的方法顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。

圖8 增強型MIS-HEMT器件制造流程及結(jié)構(gòu)[23]

3.3 Cascode結(jié)構(gòu)的最新研究進展

Cascode結(jié)構(gòu)作為比較成熟的技術(shù)，傳統(tǒng)雙芯片共封裝的形式阻礙了性能的進一步提升，為了改善性能，2018年REN等人[25]利用外延生長的單片集成技術(shù)設(shè)計制成了適用于高電壓功率轉(zhuǎn)換的增強型Cascode FET器件，芯片間互聯(lián)距離僅是傳統(tǒng)雙芯片共封裝器件的2.5%，進而降低了寄生效應(yīng)，經(jīng)測試，該器件閾值電壓和柵壓擺幅分別為3.2 V和±20 V，而擊穿電壓達到了696 V。圖9為該Cascode FET器件的結(jié)構(gòu)圖。

圖9 Cascode FET器件結(jié)構(gòu)[25]

外延生長的方式對材料晶格匹配度及外延晶面選擇性要求嚴格，且設(shè)備昂貴，2020年西安電子科技大學的ZHANG等人[26]采用轉(zhuǎn)移印刷及自對準刻蝕技術(shù)制成了單片集成的增強型Cascode FET器件，降低了成本，解決了上述問題，相比傳統(tǒng)Cascode FET器件，該器件不僅展現(xiàn)了極好的界面形貌、較小的開關(guān)損失及良好的閾值電壓均勻性（2.0～2.2 V），同時柵壓擺幅達到±18 V，柵漏電流也低于10-5mA/mm。圖10展示了轉(zhuǎn)移印刷和自對準刻蝕技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

圖10 轉(zhuǎn)移印刷和自對準刻蝕技術(shù)的關(guān)鍵步驟[26]

此外，采用Si MOSFET和GaN HEMT聯(lián)接的傳統(tǒng)Cascode FET器件不可避免地會帶來兩者本征電容不匹配及增強寄生電感問題，2021年LIU等人[27]采用凹柵GaN MIS-FET替代Si基MOSFET與D型GaN基HEMT聯(lián)接，較好地緩解了上述不良影響，同時其閾值電壓達到3.6 V，硬擊穿電壓也高達883 V。

3.4 使用氟處理技術(shù)、減薄勢壘層及其他方法

雖然用氟處理技術(shù)及減薄AlGaN勢壘層的方式也可以實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件，但它們都存在各自的缺點。通過改進工藝及結(jié)合其他技術(shù)使用氟處理技術(shù)及減薄勢壘層形成增強型GaN HEMT器件的性能得到不斷提高。2018年LING等人[28]通過淀積與源極相接觸的TiN側(cè)壁和TiN層，結(jié)合兩步氟處理工藝制備增強型GaN HEMT器件，通過兩步氟處理進一步提高了勢壘層中的氟離子濃度，使得勢壘層導帶更大地向上彎曲，增大了背勢壘高度，減少了柵泄漏電流，而沉積向柵極延伸一定長度（Lledge）的TiN層，改善了等效電路的拓撲結(jié)構(gòu)，進而降低了源電阻，當Lledge=1 μm時，最大漏電流達到845 mA/mm，其峰值跨導（412 mS/mm）比傳統(tǒng)器件峰值跨導（340 mS/mm）提高了21.2%。此外，該器件的電流增益截止頻率（fT）和功率增益截止頻率（fMAX）分別達到了61 GHz和130 GHz，其Johnson優(yōu)值達到11.2 THz·V，表現(xiàn)出良好的高功率、高頻率特性。

而2020年ZHENG等人[29]通過研究采用氟離子處理技術(shù)形成的增強型GaN HEMT器件在反向柵應(yīng)力下閾值電壓的退化機理及經(jīng)退火恢復的機理時發(fā)現(xiàn)，氟離子碰撞電離閾值電壓退化的主要原因是：在較大的反向柵應(yīng)力下，柵下注入電子密度Qinj越大，與氟離子碰撞電離越激烈，閾值電壓退化也越嚴重，但經(jīng)柵應(yīng)力后一定時間的退火，溝道中的電子會隧穿進入勢壘層中柵應(yīng)力所產(chǎn)生的中性陷阱中并被捕獲，使閾值電壓正向移動。這一研究為進一步采用氟處理實現(xiàn)高性能的GaN器件提供了參考。圖11為柵下注入電子與閾值電壓的漂移量ΔVth的關(guān)系及退火過程中電子隧穿進入溝道示意圖，圖11（a）中Vg為所加柵電壓，Vd為所加漏電壓，Vs為所加源電壓，圖11（b）中Ev代表價帶頂。

在薄勢壘研究方面，2019年HAN等人[30]通過使用SiN作鈍化層、AlOx作柵介質(zhì)層及利用鐵電電荷陷阱柵疊層制備出超薄勢壘的增強型MIS-HEMT器件，相較于傳統(tǒng)的凹柵增強型GaN HEMT器件，該器件不僅有更高的閾值電壓及最大漏電流，還擁有更小的閾值遲滯和更好的閾值電壓均勻性，其閾值電壓達到3.19 V，最大漏電流達到716 mA/mm，并且擊穿電壓也高達906 V，在集成電路及電源開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。同年，WANG等人[31]則通過在增強型薄勢壘GaN HEMT器件柵漏間刻蝕SiN鈍化層引入局部電荷補償溝道（LCCT）的方式優(yōu)化電場分布和BFOM，經(jīng)調(diào)整LCCT的刻蝕長度和寬度，與傳統(tǒng)薄勢壘GaN HEMT器件相比，其電場峰值降低了2.8 MV/mm，同時使LCCT下的電場分布更平坦，其BFOM更是傳統(tǒng)薄勢壘GaN基HEMT器件的2倍。圖12（a）（b）分別為其器件結(jié)構(gòu)及有無LCCT的電場分布，其中LT代表LCCT長度，DT代表刻蝕80 nm氮化硅層的刻蝕深度，VD代表器件所加漏極電壓。

圖12 引入LCCT的器件結(jié)構(gòu)與有無LCCT的電場分布[31]

為了對文中提到的增強型GaN HEMT器件的性能有更直觀的比較，將相關(guān)文獻中部分增強型GaN HEMT器件的性能參數(shù)概括到表1。

通過對增強型GaN HEMT器件最新研究進展的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，各增強型器件的相關(guān)性能得到不斷提高，甚至某些性能指標已達到極高標準（如經(jīng)過場板設(shè)計后的擊穿電壓），不難想象未來有望進一步加深其應(yīng)用的程度。但在實際應(yīng)用中，除了考慮器件良好的性能及可靠性，還應(yīng)該使它與現(xiàn)有的或改進創(chuàng)新的電路拓撲結(jié)構(gòu)、布局互聯(lián)、散熱性能的設(shè)計及先進封裝設(shè)計等有良好的適配，所以在今后的研究中，進一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、提高工藝設(shè)計水準、提高器件可靠性及不斷推進各類增強型器件的產(chǎn)品化設(shè)計等都是重要的方向。

表1 文獻中的增強型GaN HEMT器件性能參數(shù)

3.5 產(chǎn)業(yè)界最新推出的GaN器件解決方案

在功率器件應(yīng)用方面，目前，市場上已有很多性能良好的基于GaN HEMT器件的功率產(chǎn)品。2018年，GaN Systems公司推出了100 V/120 A GaN E-HEMT裝置GS-010-120-1-T，良好的性能使其適合于汽車和可再生能源等行業(yè)48 V的應(yīng)用；同年，日本松下也推出了基于MIS結(jié)構(gòu)730 V/20 A的GaN功率器件，該產(chǎn)品可以在柵壓高達10 V時穩(wěn)定連續(xù)工作而閾值電壓不會發(fā)生變化，其運用可進一步縮小各種功率轉(zhuǎn)換電路的體積。2020年，Transphorm公司也推出了650V/72 mΩ常關(guān)型GaN產(chǎn)品TP65H070LDG，該產(chǎn)品易于驅(qū)動，且能與標準柵極驅(qū)動器兼容。2021年末，意法半導體宣布推出2個GaN功率半導體新產(chǎn)品系列“G-HEMT”和“G-FET”。“G-HEMT”系列的首款器件為650 V/15 A的SGT120R65AL，該產(chǎn)品擁有極低的傳導損耗、高電流能力和極快的開關(guān)速度，能實現(xiàn)很高的功率密度及性能效率，而“G-FET”系列的首款器件則是Cascode型的GaN晶體管SGT250R65ALCS，這2個系列產(chǎn)品的推出將使消費類電子產(chǎn)品和車載裝置等的電源實現(xiàn)更高效率和小型化的設(shè)計。

在數(shù)字電路領(lǐng)域，盡管ZHENG等人[32]通過在同一襯底上集成n溝道及p溝道FET構(gòu)成GaN CL，并對由GaN CL組成的反相器、部分基本邏輯門及多級環(huán)形振蕩器等進行了分析，表明了GaN CL擁有巨大的應(yīng)用價值，但相比于GaN HEMT器件功率產(chǎn)品的不斷推出，適于數(shù)字電路的性能優(yōu)良的GaN CL現(xiàn)今卻難以實現(xiàn)，主要原因在于其互補的增強型p溝道場效應(yīng)晶體管面臨著低遷移率、高接觸電阻及柵控能力弱等挑戰(zhàn)，而通過改進刻蝕工藝、運用再生長技術(shù)及研究新結(jié)構(gòu)是改善這些問題的途徑，BADER等人[33]的研究結(jié)果表明AlN/GaN/AlN的結(jié)構(gòu)擁有巨大的潛力。

4 結(jié)束語

盡管業(yè)內(nèi)提出了多種制備增強型GaN HEMT器件的技術(shù)，有些已商業(yè)化應(yīng)用，但都存在各自的缺陷。此外，在設(shè)計增強型GaN HEMT器件時，還需要兼顧各項性能指標間的折中關(guān)系并提高器件可靠性，要想實現(xiàn)性能良好的增強型器件，需要研究者或進行結(jié)構(gòu)和工藝上的改進，或提出新的結(jié)構(gòu)。而在應(yīng)用上，對性能良好的GaN基CL的研究也任重道遠。本文通過對增強型GaN HEMT器件的實現(xiàn)方法和最新進展進行綜述，為相關(guān)研究者研發(fā)高可靠性的、適于產(chǎn)品化的增強型GaN HEMT器件提供了有價值的參考。