【導讀】GaN 是一種二元化合物，由一個镓原子（III 族，Z = 31）和一個氮原子（V 族
，Z = 7）組成

，具有纖鋅礦六方結構。镓原子和氮原子通過非常強的離子化學鍵結合在一起，從而產生很大的能帶隙。

GaN 是一種二元化合物，由一個镓原子（III 族，Z = 31）和一個氮原子（V 族，Z = 7）組成，具有纖鋅礦六方結構。镓原子和氮原子通過非常強的離子化學鍵結合在一起，從而產生很大的能帶隙。這一特性使 GaN 非常穩定，非常適合在高溫和惡劣環境下工作。用這種技術製造的晶體管（通常具有橫向結構）稱為高電子遷移率晶體管 ( HEMT )。HEMT 的名稱源於 2DEG 在 AlGaN 勢壘層和 GaN 緩衝層界麵處形成的低電阻導電通道。可以借助圖 1 來理解 2DEG 的累積。

　圖 1：GaN-AlGaN異質結構的簡化橫截麵

與镓和鋁相比
，氮具有更高的電負性（電負性衡量某個原子吸引共享電子對的傾向）。因此

，電荷位移會引起電自發極化 (P sp )。另一方麵，具有不同晶格常數1 的外延層上的機械應力和應變會引起壓電極化 (P pe )。發生這種情況的原因是，變形有利於晶體內帶電原子的位移，從而產生淨電偶極矩。P pe對於拉伸應變 AlGaN 層為負，對於壓縮應變 AlGaN 層為正。因此
，自發極化和壓電極化的方向在拉伸應變的情況下是平行的，而在壓縮應變的情況下是反向平行的。在 AlGaN 中，晶格常數小於 GaN。因此，AlGaN 在 GaN 層上施加應變

，從而產生額外的 P pe。

因此
，AlGaN 的總極化 ( P sp + P pe ) 較大
，從而在 AlGaN/GaN 界麵產生淨正電荷。在異質界麵產生的自由載流子 (電子) 中和了固定的自發極化和壓電極化，從而形成了具有極高電子遷移率 (範圍在 1,500 至 2,000 cm 2 /Vs 之間) 的 2DEG 層。這種 2DEG 具(ju)有(you)高(gao)導(dao)電(dian)性(xing)
，主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)子(zi)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)界(jie)麵(mian)上(shang)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)區(qu)域(yu)內(nei)。由(you)於(yu)遷(qian)移(yi)率(lv)較(jiao)高(gao)，因(yin)此(ci)無(wu)需(xu)摻(chan)雜(za)
，從(cong)而(er)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)了(le)電(dian)離(li)雜(za)質(zhi)散(san)射(she)現(xian)象(xiang)。

2DEG 層將產生常開（耗盡模式或 d 模式）開關
，即具有負閾值電壓 (V th )。為了簡化柵極驅動並使晶體管按照電力電子電路的通常要求安全運行，需要采取額外步驟來確保器件可以在柵極施加 0 V 時關閉。圖 2 顯示了增強模式 (e 模式) 或常關 HEMT 的兩種一般結構。

E型HEMT

圖 2：E 模式（常閉）HEMT 實現：p 柵極（左）和凹柵極（右）（來源：意法半導體）

圖 2 描述了兩種本質上常閉型 GaN HEMT 的實現方式：分別為 p 柵極（帶肖特基柵極接觸）和凹陷柵極。第三種方案（未顯示）由 d 模式 HEMT 和矽低壓MOSFET組成，采用共源共柵配置，部分供應商采用此方案。

具有絕緣柵電介質的絕緣柵場效應晶體管具有理想的特性，例如柵極漏電減少和柵極電壓擺幅大。金屬絕緣體半導體場效應晶體管 (MISFET) 通過局部等離子蝕刻工藝完全去除柵極下方的 AlGaN 阻擋層，從而實現 e 模式操作，使器件在零柵極電壓下關閉。當 MISFET 中的柵極電壓超過正 V th時
，柵極界麵下方會形成電子積累層
，從而恢複 2DEG 導電通道的完整性，從而使器件可以打開。MISFET 的一種變體是部分凹陷柵極金屬絕緣體半導體異質結場效應晶體管 (MISHFET)。

顯然，製造 MISFET 的一個非常關鍵的步驟是凹槽雕刻。常見的蝕刻技術是電感耦合等離子體反應離子蝕刻 (ICP-RIE)。該gai技ji術shu將jiang化hua學xue反fan應ying和he離li子zi誘you導dao蝕shi刻ke結jie合he在zai一yi起qi，而er離li子zi通tong量liang的de獨du立li控kong製zhi可ke以yi實shi現xian高gao度du靈ling活huo性xing。然ran而er，由you於yu等deng離li子zi體ti的de照zhao射she時shi間jian較jiao長chang

，等deng離li子zi體ti中zhong的de紫zi外wai線xian會hui對dui半ban導dao體ti表biao麵mian造zao成cheng嚴yan重zhong損sun壞huai。表biao麵mian損sun傷shang反fan過guo來lai會hui導dao致zhi漏lou電dian流liu增zeng加jia
、V th不穩定和電流崩塌（動態導通電阻增加）。幹原子層蝕刻 (ALE) 是shi一yi種zhong可ke在zai蝕shi刻ke後hou提ti供gong高gao質zhi量liang界jie麵mian的de替ti代dai蝕shi刻ke方fang法fa。自zi限xian性xing化hua學xue改gai性xing僅jin影ying響xiang晶jing圓yuan的de頂ding部bu原yuan子zi層ceng，選xuan擇ze性xing蝕shi刻ke僅jin去qu除chu經jing過guo化hua學xue改gai性xing的de區qu域yu，一yi層ceng又you一yi層ceng。ALE 工藝可代替 ICP-RIE，以降低柵極凹槽表麵的粗糙度並進一步改善界麵處的捕獲狀態。

對凹槽柵極 HEMT 的興趣

如今，大多數 GaN 製造商都選擇了共源共柵或 p 柵極。因此， CEA-Leti近宣布凹陷技術取得了新的裏程碑

，這引起了人們的真正興趣，並增強了市場增長前景。據分析和谘詢公司 Omdia 稱，GaN 市場規模將在 2030 年達到 38.9 億美元，自 2022 年以來複合增長率為 37%。受益於這種市場擴張的行業包括數據中心（由於為 AI 供電所需的數據流量呈指數級增長）和充電器
、汽車和電信等消費應用。如今，微軟
、穀歌和 Meta 等大型科技公司正在激烈競爭，以發布使用生成式 AI moxinglaichuliheshengchengdaliangwenbenheshuzishujudechanpin。zhezhongmoxingbixuyilaidaliangdejisuannengli

，xuyaojudadefuwuqiqun，qizhongshiyonglengshuihedianlilailengqueshebei。gaoxiao GaN 產品的出現對於構建更環保的電源轉換器來說是一個真正的福音。

眾所周知，傳統的 p-GaN 柵極結構存在可靠性問題，即使在輕微過壓下也容易失效。實驗中檢測到了時間相關的擊穿
，這是由 p 型柵極的 GaN 基功率 HEMT 中的正向柵極應力引起的
，由肖特基金屬/p-GaN 結控製。當在柵極上施加高應力電壓時，靠近金屬界麵的 p-GaN 耗盡區會出現較大的電壓降和電場，從而促進滲透路徑的形成。這種退化的機製與時間相關的介電擊穿相符：在關斷狀態下以恒定電壓進行測試時，柵極電流一開始會變得嘈雜


，然後突然增加幾個數量級。

相比之下
，全凹陷 MIS 柵極 GaN 功率晶體管比 p-GaN HEMT 具有更寬的柵極電壓擺幅
、更高的柵極可靠性和更低的柵極漏電流。

得益於之前與意法半導體的聯合開發努力
， CEA-Leti取得了許多進展。

然而
，要充分發揮凹槽柵極方法的所有優勢，還有許多挑戰需要解決。MISFET 會受到凹槽區域粗糙表麵和電活性缺陷的影響，導致通道遷移率下降。因此，優化絕緣體和 AlGaN/GaN 之間的界麵以限度地減少界麵捕獲狀態並增強電流流動非常重要。控製絕緣體電荷也至關重要。CEA-Leti 製造工藝的進展主要集中在：

濕法清洗
、熱處理和等離子處理以獲得高質量的表麵
用於柵極凹槽的低衝擊蝕刻和 ALE
界麵層（本例中為 AlN）可進一步降低功率損耗
提高可靠性的薄膜介電層替代材料

所有這些工藝步驟（從表麵處理到蝕刻和介電層沉積）doubixurenzhenzhixing，cainenghuodesuoxudeqijianguige。zhengquebiaozhengdenglizifuzhushikeyinqidesunshangyijigongyeshangkexingdegongyijichengdailaileewaidetiaozhan
，zhexietiaozhanrengxujiejue。

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