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氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)，作為近20年來逐步興起的第三代半導(dǎo)體材料，正憑借其寬帶隙、高電子遷移率和高臨界擊穿電場等優(yōu)異的物理特性開始在功率半導(dǎo)體市場上嶄露頭角。隨著下游市場電力電子系統(tǒng)對于高效節(jié)能、智能小型化需求的不斷驅(qū)動(dòng)，發(fā)展新一代高效、高速GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)，降低電能在各環(huán)節(jié)的損耗，既是功率半導(dǎo)體技術(shù)未來發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求，更是社會經(jīng)濟(jì)向節(jié)能、環(huán)保、綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變的必然趨勢。近年來，GaN高電子遷移率晶體管(GaN HEMT，GaN High Electron MobilityTransistor)已經(jīng)逐步滲透到包括數(shù)據(jù)通信、基站、UPS和工業(yè)激光雷達(dá)等工業(yè)和電信電源應(yīng)用領(lǐng)域。

1.GaN HEMTs自熱效應(yīng)
盡管理論表明GaN HEMTs的優(yōu)勢之一就是高溫環(huán)境應(yīng)用，但GaN器件工作在高溫環(huán)境下的可靠性問題到目前為止還沒有取得較好的解決，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能和高熱穩(wěn)定性構(gòu)成了很大的限制，嚴(yán)重制約了GaN HEMTs在大功率電力電子系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展。目前，與功率器件相關(guān)的自熱效應(yīng)是使GaN HEMTs器件適用于功率電子應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。
GaN HEMTs工作時(shí)，本身會產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內(nèi)部，尤其是在GaN HEMTs內(nèi)部導(dǎo)電溝道產(chǎn)生相應(yīng)的熱量使得器件的結(jié)溫有非常明顯的升高，晶格振動(dòng)散射大大加強(qiáng)使得漂移區(qū)內(nèi)的電子遷移率降低，器件導(dǎo)通電阻表現(xiàn)出明顯的上升，這種現(xiàn)象被稱作“自熱效應(yīng)”。在器件的I-V測試中，隨著Vds的不斷增大，器件漏源電流Ids也隨之上升，而當(dāng)器件達(dá)到飽和區(qū)時(shí)Ids呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，隨著Vds的增大而不再增加。此時(shí)，隨著Vds的繼續(xù)上升，器件出現(xiàn)嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致飽和電流隨著Vds的上升反而出現(xiàn)下降的情況，嚴(yán)重影響著器件的性能。此外，不同于Si基器件的PN結(jié)體材料導(dǎo)電方式，GaN HEMTs獨(dú)特的二維電子氣(2DEG)導(dǎo)電方式使得器件的導(dǎo)電溝道只有幾個(gè)納米，可以看作一個(gè)厚度趨于0的薄層，在帶來很高的電流密度的同時(shí)也使得GaN HEMTs溝道內(nèi)的熱點(diǎn)(Hot Point)變得更加集中，在嚴(yán)重的情況下不僅會使器件性能出現(xiàn)大幅度的下降還可能導(dǎo)致器件柵極金屬損壞、器件失效等一系列不可逆的問題。

在GaN HEMTs嚴(yán)重的自熱效應(yīng)下，對器件封裝技術(shù)也提出了更高的要求。目前Transphorm、Panasonic和Infineon等公司對于GaN HEMTs大多采用TO封裝和SMD系列封裝。而宜普公司(EPC)則采用了LGA封裝形式，在帶來雙面散熱的同時(shí)也優(yōu)化了器件內(nèi)部寄生電感。GaN Systems則針對其公司產(chǎn)品開發(fā)了全新的GaNPX嵌入式封裝。Navitas公司的GaNFast系列產(chǎn)品將GaN柵極驅(qū)動(dòng)器與GaN功率管集成到一塊芯片上，采用了集成式封裝。然而當(dāng)前的封裝方案隨著GaN器件電流密度的不斷提升，其散熱能力并不能很好地滿足系統(tǒng)安全性以及集成化的要求。解決這一問題的主要思路有雙面散熱和液冷散熱。采用雙面散熱的方式，熱阻會降低一半，但是相應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用中的組裝方式會發(fā)生改變，這對工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。液冷散熱利用冷卻液循環(huán)對系統(tǒng)進(jìn)行散熱，其散熱特性更好但是其維護(hù)和裝配成本較高。新的封裝技術(shù)，熱導(dǎo)率更高的基板、散熱器的研發(fā)是GaN器件能發(fā)揮其優(yōu)異性能關(guān)鍵一步

2.GaN HEMTs電流崩塌

在高壓大功率電力電子系統(tǒng)應(yīng)用中，功率開關(guān)器件往往需要耐受>200V的長時(shí)間高壓應(yīng)力，對于GaN HEMTs而言其優(yōu)異的耐高壓能力和極快的開關(guān)速度可以將同等電壓級別的電源系統(tǒng)推向更高的頻率。這也意味著基于GaN HEMTs的高壓系統(tǒng)解決方案比Si基系統(tǒng)具有更高的效率。然而，在高壓應(yīng)用下一個(gè)嚴(yán)重限制GaN HEMTs性能的問題就是電流崩塌現(xiàn)象(Current Collapse)。

電流崩塌又稱作動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化（Dynamic Rds,on?Degradation）如下圖所示，這種現(xiàn)象最初得名于器件直流測試時(shí)，受到強(qiáng)電場的反復(fù)沖擊后，飽和電流與最大跨導(dǎo)都出現(xiàn)下降，閾值電壓和導(dǎo)通電阻出現(xiàn)上升的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而后，隨著GaN HEMTs在功率電子領(lǐng)域的逐漸應(yīng)用，對電流崩塌現(xiàn)象的研究也越來越多。目前對電流崩塌現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，其原因主要是由于GaN HEMTs內(nèi)部陷阱對溝道電子的捕獲所導(dǎo)致。主要包括GaN外延摻雜帶來的緩沖層陷阱、AlGaN 勢壘層體陷阱以及刻蝕、注入等器件工藝處理中引起的表面陷阱。

目前認(rèn)為引起動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化的機(jī)制主要有三種：(1)虛柵的形成導(dǎo)致動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化 (2)溝道熱電子注入效應(yīng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化 (3)Buffer trapping導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化。

2.1 虛柵效應(yīng)

電流崩塌本質(zhì)上是材料中的陷阱對溝道電子的俘獲，虛柵模型對其物理機(jī)制給出了較為合理的解釋。當(dāng)GaN HEMTs處于關(guān)斷時(shí)，施加在器件漏極的高壓偏置使得有源區(qū)形成從漏極指向柵極的正向電場，處于有源區(qū)的溝道電子被電場加速越過AlGaN勢壘層，從而被AlGaN勢壘層表面的陷阱所俘獲。其次由于電場尖峰分布在柵極一側(cè)，被俘獲的電子會在靠近GaN HEMTs柵極附近形成負(fù)電荷積累，這些表面負(fù)電荷相當(dāng)于一個(gè)負(fù)壓偏置的柵極(即虛柵)，使表面電勢降低，從而部分耗盡了下方的二維電子氣，使導(dǎo)通電阻變大也使得器件閾值電壓正向漂移，如下圖所示。簡單地講，位于AlGaN勢壘層表面的陷阱俘獲溝道電子，一方面降低溝道二維電子氣濃度，另一方面抬升了能帶高度使得耗盡區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，在柵極附近形成了對溝道具有調(diào)控作用的“虛柵”。

2.2 溝道熱電子注入效應(yīng)

GaN器件工作在高功率(High Power)或在開關(guān)瞬態(tài)過程中下，器件會產(chǎn)生很高的瞬時(shí)功耗，導(dǎo)電溝道中的載流子(電子)被激發(fā)為高能熱電子。這些熱電子在獲得足夠的能量后將從導(dǎo)電溝道進(jìn)入靠近溝道附近的 AlGaN勢壘層以及GaN緩沖層，從而被兩處材料內(nèi)的陷阱所捕獲，如下圖所示。被陷阱捕獲的電子會使引起溝道二維電子氣的部分耗盡，導(dǎo)致器件導(dǎo)通電阻上升。據(jù)稱，有兩種機(jī)制可以使溝道電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，包括熱電子發(fā)射和電子隧穿。電子隧穿是一個(gè)具有微秒時(shí)間常數(shù)的快速過程，而熱電子發(fā)射是一個(gè)相對緩慢的過程，其時(shí)間常數(shù)根據(jù)材料缺陷密度從毫秒到分鐘不等。

2.3 Buffer trapping效應(yīng)

Buffer trapping效應(yīng)是主要是由于GaN Buffer層中補(bǔ)償性摻雜(緩解Buffer層漏電問題)而引起的緩沖層陷阱在高壓應(yīng)力下捕獲電子，造成溝道二維電子氣部分耗盡。首先需要了解的是，非故意摻雜的GaN薄膜中，C、Si、O是最常見的雜質(zhì)。C元素主要來自于 MOCVD生長中使用的TMG氣體分解，另外還存在于反應(yīng)室中石墨基座的C元素。Si元素主要來源于材料的生長環(huán)境，另外一方面則來源于Si襯底自下而上擴(kuò)散而來。О元素則來源于載氣中攜帶的氧氣。這些雜質(zhì)中О和Si是淺能級施主，而C元素則是雙性雜質(zhì)。C元素在緩沖層中可以通過替代掉Ga元素而成為淺能級施主，也可以通過替代N元素成為淺能級受主。在n型摻雜的GaN Buffer層中，C元素最穩(wěn)定的狀態(tài)就是淺能級受主，能夠起到自補(bǔ)償?shù)淖饔?，從而提高Buffer 層的阻抗。然而要形成高阻GaN緩沖層，仍然需要降低其背景載流子濃度，在這種情況下，通過調(diào)整MOCVD材料生長從而獲得高濃度C摻雜的GaN緩沖層就成為了解決方案之一。但是，低溫條件下才有利于C雜質(zhì)大量進(jìn)入，而這種生長條件下又會不可避免地導(dǎo)致GaN外延層材料的結(jié)晶質(zhì)量下降。在這種情況下，向GaN中摻入補(bǔ)償性的p型雜質(zhì)來中和緩沖層中的多余電子成為了可選方案，其中比較成功的方法是Fe元素的摻雜。

GaN器件關(guān)斷且襯源短接的情況下，器件不僅在柵漏之間存在強(qiáng)電場，強(qiáng)電場也存在于在襯底與漏極之間。由于器件漏極施加的高壓偏置，襯底與漏極之間的強(qiáng)電場是電子的加速場。電子將從襯底越過成核層注入至緩沖層被緩沖層陷阱捕獲，對溝道二維電子氣產(chǎn)生耗盡而引起電流崩塌，如下圖所示。而Buffer層存在的大量受主雜質(zhì)對2DEG的耗盡作用會使得GaN器件在開啟時(shí)性能受到很大程度上的影響。