凹槽栅极技术革新 E－Mode GaN 晶体管

【导读】GaN 是一种二元化合物，由一个镓原子（III 族，Z = 31）和一个氮原子（V 族，Z = 7）组成，具有纤锌矿六方结构。镓原子和氮原子通过非常强的离子化学键结合在一起，从而产生很大的能带隙。

GaN 是一种二元化合物，由一个镓原子（III 族，Z = 31）和一个氮原子（V 族，Z = 7）组成，具有纤锌矿六方结构。镓原子和氮原子通过非常强的离子化学键结合在一起，从而产生很大的能带隙。这一特性使 GaN 非常稳定，非常适合在高温和恶劣环境下工作。用这种技术制造的晶体管（通常具有横向结构）称为高电子迁移率晶体管 ( HEMT )。HEMT 的名称源于 2DEG 在 AlGaN 势垒层和 GaN 缓冲层界面处形成的低电阻导电通道。可以借助图 1 来理解 2DEG 的累积。

　图 1：GaN-AlGaN异质结构的简化横截面

与镓和铝相比，氮具有更高的电负性（电负性衡量某个原子吸引共享电子对的倾向）。因此，电荷位移会引起电自发极化 (P sp )。另一方面，具有不同晶格常数1 的外延层上的机械应力和应变会引起压电极化 (P pe )。发生这种情况的原因是，变形有利于晶体内带电原子的位移，从而产生净电偶极矩。P pe对于拉伸应变 AlGaN 层为负，对于压缩应变 AlGaN 层为正。因此，自发极化和压电极化的方向在拉伸应变的情况下是平行的，而在压缩应变的情况下是反向平行的。在 AlGaN 中，晶格常数小于 GaN。因此，AlGaN 在 GaN 层上施加应变，从而产生额外的 P pe。

因此，AlGaN 的总极化 ( P sp + P pe ) 较大，从而在 AlGaN/GaN 界面产生净正电荷。在异质界面产生的自由载流子 (电子) 中和了固定的自发极化和压电极化，从而形成了具有极高电子迁移率 (范围在 1,500 至 2,000 cm 2 /Vs 之间) 的 2DEG 层。这种 2DEG 具有高导电性，主要是因为电子被限制在界面上非常小的区域内。由于迁移率较高，因此无需掺杂，从而限度地减少了电离杂质散射现象。

2DEG 层将产生常开（耗尽模式或 d 模式）开关，即具有负阈值电压 (V th )。为了简化栅极驱动并使晶体管按照电力电子电路的通常要求安全运行，需要采取额外步骤来确保器件可以在栅极施加 0 V 时关闭。图 2 显示了增强模式 (e 模式) 或常关 HEMT 的两种一般结构。

E型HEMT

图 2：E 模式（常闭）HEMT 实现：p 栅极（左）和凹栅极（右）（来源：意法半导体）

图 2 描述了两种本质上常闭型 GaN HEMT 的实现方式：分别为 p 栅极（带肖特基栅极接触）和凹陷栅极。第三种方案（未显示）由 d 模式 HEMT 和硅低压MOSFET组成，采用共源共栅配置，部分供应商采用此方案。

具有绝缘栅电介质的绝缘栅场效应晶体管具有理想的特性，例如栅极漏电减少和栅极电压摆幅大。金属绝缘体半导体场效应晶体管 (MISFET) 通过局部等离子蚀刻工艺完全去除栅极下方的 AlGaN 阻挡层，从而实现 e 模式操作，使器件在零栅极电压下关闭。当 MISFET 中的栅极电压超过正 V th时，栅极界面下方会形成电子积累层，从而恢复 2DEG 导电通道的完整性，从而使器件可以打开。MISFET 的一种变体是部分凹陷栅极金属绝缘体半导体异质结场效应晶体管 (MISHFET)。

显然，制造 MISFET 的一个非常关键的步骤是凹槽雕刻。常见的蚀刻技术是电感耦合等离子体反应离子蚀刻 (ICP-RIE)。该技术将化学反应和离子诱导蚀刻结合在一起，而离子通量的独立控制可以实现高度灵活性。然而，由于等离子体的照射时间较长，等离子体中的紫外线会对半导体表面造成严重损坏。表面损伤反过来会导致漏电流增加、V th不稳定和电流崩塌（动态导通电阻增加）。干原子层蚀刻 (ALE) 是一种可在蚀刻后提供高质量界面的替代蚀刻方法。自限性化学改性仅影响晶圆的顶部原子层，选择性蚀刻仅去除经过化学改性的区域，一层又一层。ALE 工艺可代替 ICP-RIE，以降低栅极凹槽表面的粗糙度并进一步改善界面处的捕获状态。

对凹槽栅极 HEMT 的兴趣

如今，大多数 GaN 制造商都选择了共源共栅或 p 栅极。因此， CEA-Leti近宣布凹陷技术取得了新的里程碑，这引起了人们的真正兴趣，并增强了市场增长前景。据分析和咨询公司 Omdia 称，GaN 市场规模将在 2030 年达到 38.9 亿美元，自 2022 年以来复合增长率为 37%。受益于这种市场扩张的行业包括数据中心（由于为 AI 供电所需的数据流量呈指数级增长）和充电器、汽车和电信等消费应用。如今，微软、谷歌和 Meta 等大型科技公司正在激烈竞争，以发布使用生成式 AI 模型来处理和生成大量文本和数字数据的产品。这种模型必须依赖大量的计算能力，需要巨大的服务器群，其中使用冷水和电力来冷却设备。高效 GaN 产品的出现对于构建更环保的电源转换器来说是一个真正的福音。

众所周知，传统的 p-GaN 栅极结构存在可靠性问题，即使在轻微过压下也容易失效。实验中检测到了时间相关的击穿，这是由 p 型栅极的 GaN 基功率 HEMT 中的正向栅极应力引起的，由肖特基金属/p-GaN 结控制。当在栅极上施加高应力电压时，靠近金属界面的 p-GaN 耗尽区会出现较大的电压降和电场，从而促进渗透路径的形成。这种退化的机制与时间相关的介电击穿相符：在关断状态下以恒定电压进行测试时，栅极电流一开始会变得嘈杂，然后突然增加几个数量级。

相比之下，全凹陷 MIS 栅极 GaN 功率晶体管比 p-GaN HEMT 具有更宽的栅极电压摆幅、更高的栅极可靠性和更低的栅极漏电流。

得益于之前与意法半导体的联合开发努力， CEA-Leti取得了许多进展。

然而，要充分发挥凹槽栅极方法的所有优势，还有许多挑战需要解决。MISFET 会受到凹槽区域粗糙表面和电活性缺陷的影响，导致通道迁移率下降。因此，优化绝缘体和 AlGaN/GaN 之间的界面以限度地减少界面捕获状态并增强电流流动非常重要。控制绝缘体电荷也至关重要。CEA-Leti 制造工艺的进展主要集中在：

湿法清洗、热处理和等离子处理以获得高质量的表面
用于栅极凹槽的低冲击蚀刻和 ALE
界面层（本例中为 AlN）可进一步降低功率损耗
提高可靠性的薄膜介电层替代材料

所有这些工艺步骤（从表面处理到蚀刻和介电层沉积）都必须认真执行，才能获得所需的器件规格。正确表征等离子辅助蚀刻引起的损伤以及工业上可行的工艺集成带来了额外的挑战，这些挑战仍需解决。

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