【推荐】氮化镓功率器件，为什么是 HEMT ？

当我们在谈论宽禁带半导体的时候，常说的碳化硅功率器件一般是指SiC MOSFET，而氮化镓功率器件最普遍的则是GaN HEMT。为什么碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在功率器件上走了不同的道路？

因为高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors，HEMT）作为功率半导体器件的代表，在高频应用领域有着巨大的市场潜力。氮化镓相比于硅和碳化硅具有更高的电子迁移率（Electron Mobility）、饱和电子漂移速率（Saturated Electron Veloctity）和击穿场强（Breakdown Field）。

什么是电子迁移率？

电流的导通依靠的是材料内部载流子的定向移动。当存在着外加电压时，材料内部的自由电子受到外加电压中电场力的作用，会沿着电场的反方向做定向运动产生电流，我们称其为漂移运动。而将这种定向运动的速度称为漂移速度。根据推导可知，当电场增大时电子的运动速度也会随之增大，两者呈线性关系，而这个比例系数就被称作迁移率。

由于材料上的优势，在相同耐压等级下，氮化镓材料更适合制作高效的功率器件，特别是横向结构HEMT，其导通电阻比硅器件的导通电阻低1~2个数量级，与同为宽禁带半导体材料的碳化硅器件相比，其导通电阻减小1/2~1/3。

氮化镓HEMT与普通晶体管的区别就在于高电子迁移率，因此更适合于高频应用场合，对提升转换器的效率和功率密度非常有利，这也是它被大规模应用的原因与前提。比如氮化镓HEMT可将充电器的尺寸缩小一半，同时将功率提高3倍。目前氮化镓功率器件主要应用于电源适配器、车载充电器、数据中心等领域，也逐渐成为5G基站电源的最佳解决方案。

从HEMT器件结构看，可分为横向和纵向结构。纵向结构器件需要用到氮化镓自支撑衬底，而且从目前来看，氮化镓衬底的成本较高，尺寸较小，这就使得单个器件的成本更高。氮化镓纵向结构器件尚未在市场上出售，目前处于大量研究以使器件商业化的阶段。同时纵向结构的器件并没有利用到氮化镓最大的优势——二维电子气（2 Dimensional Electron Gas，2DEG），而横向结构的器件则能很好地利用到这一特点。

独特的 2DEG

氮化镓外延的异质结结构，典型如AlGaN/GaN界面，由于沿镓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，这导致在AlGaN/GaN异质结界面处会产生高浓度的2DEG。

首先，由于GaN与AlGaN的晶格常数不同，而且它们的晶格常数又有变为数值一致的趋势，因此在异质结界面处会出现对上层材料的挤压或拉伸，产生应力。

在没有外加应力时，由于氮化物材料自身的结构特点，其自身内部的正负电中心并不对称，电子会向着N原子一侧偏移，在材料内部产生电场，这就是自发极化。

与此同时，由于AlGaN材料的晶格常数小于GaN，上层的AlGaN材料会受到压应力。就像等腰三角形来做一个类比，当我们在拉伸三角形的两个等边时，第三个顶点会向着其所对的边移动，这就是压电极化。

在自发极化与压电极化的一同作用下，在AlGaN与GaN之间会产生一层极薄的电子层。由于这些电子被限制在几个原子厚度的薄层中，不可以在Z轴方向运动，但可以在X与Y方向自由运动，所以电子近似位于一个平面内。在这个平面中的电子运动模式与自由空间中的气体类似，故称之为2DEG。

在极薄的平面中，电子的运动不会受到阻挡，所以电子的漂移速度就会相对较高，这也是高电子迁移率的由来。

HEMT 器件分类

横向HEMT器件从开关类型，可分为耗尽型（D-mode）和增强型（E-mode）器件。耗尽型与增强型器件的区别在于器件的阈值电压是否大于0 V。

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。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。

目前，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现象等，这些可靠性问题与场板的设计、栅介质层的选择、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。

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。增强型器件也由此具有安全、节能和能简化电路设计等方面的优势，是未来GaN HEMT功率器件的重要发展方向。

硅基氮化镓 HEMT 结构

首先，在硅衬底上低温生长AlN成核层，这是一种有效的通过降低生长GaN时的应力来提升临界厚度的方式。在AlN成核层上是AlGaN应力释放层，在应力释放层中Al组分随厚度的增加而减小。

再向上是GaN外延缓冲层。一方面，由于外延层总厚度仍然较小，此时应力未能完全释放，缓冲层中仍然存在许多位错和缺陷；另一方面，未经掺杂的GaN呈弱n型，具有约10¹⁶ cm^-3的背景电子浓度，为了提高器件的垂直耐压，一般会在缓冲层中进行补偿掺杂，常用的掺杂剂有Mg、Fe、C等能够形成受主的杂质，以使得缓冲层呈现近绝缘的状态。近绝缘的缓冲层对抑制垂直漏电、提升器件耐压具有非常重要的作用。然而，一般引入的受主杂质多以深受主能级存在，受主电离能高，电离十分困难，电离率较低，因此即使GaN本身的背景电子浓度并不十分高，想要达到近绝缘的补偿效果也需要掺入较高浓度的受主杂质。

缓冲层上是本征无故意掺杂的GaN沟道层、1 nm左右的AlN增强层和AlGaN势垒层。其中，AlN增强层会使界面更加平整，同时能够提升2DEG的浓度和迁移率。AlGaN势垒层中Al的质量分数一般为0.2~0.4，厚度一般为20~30 nm。AlGaN势垒层上方会有一层薄的GaN帽层，这是为了提升2DEG的迁移率，同时能够减小表面漏电。在它的上面可能会有一层为抑制电流崩塌而生长的钝化层。