氮化镓基半导体电力电子器件击穿机理研究
氮化镓器件原理
氮化镓器件原理氮化镓（GaN）器件，作为近年来半导体领域的明星产品，以其卓越的性能和广泛的应用前景受到了业界的广泛关注。
本文将从氮化镓的材料特性、器件结构、工作原理以及应用领域等方面进行深入探讨，旨在为读者提供全面、专业的氮化镓器件知识。
一、氮化镓的材料特性氮化镓是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，其化学式为GaN。
与传统的硅材料相比，氮化镓具有更高的电子饱和迁移率、更高的击穿电场和更高的热导率等优异性能。
这些特性使得氮化镓器件在高温、高频、高功率等极端条件下仍能保持良好的性能。
二、氮化镓器件的结构与工作原理氮化镓器件的结构多样，但最常见的是基于AlGaN/GaN异质结的横向器件，如肖特基二极管（SBD）和高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）。
这些器件的工作原理主要依赖于AlGaN/GaN异质结处产生的二维电子气（2-DEG）。
在AlGaN和GaN的结面处，由于两者的禁带宽度不同，导致能带发生突变，进而产生极化效应。
这种极化效应在界面处形成准三角型势阱，大量电子被限制在该势阱内。
这些电子在垂直于异质结界面的方向上是量子化的，而在平行于异质结界面的方向上可以自由运动，从而形成了二维电子气。
二维电子气具有极高的浓度和电子迁移率，是制作GaN基横向器件的理想选择。
当给氮化镓器件施加适当的电压时，二维电子气中的电子会在电场作用下进行定向移动，从而形成电流。
通过控制电压的大小和方向，可以实现对电流的精确调控。
这种基于二维电子气的电流调控机制是氮化镓器件工作的核心原理。
三、氮化镓器件的应用领域凭借优异的性能和独特的工作原理，氮化镓器件在多个领域展现出了广阔的应用前景。
以下是几个主要的应用领域：1. 电力电子领域：氮化镓器件具有高击穿电场和低导通电阻的特性，使其成为电力电子领域中的理想选择。
例如，在高压直流输电（HVDC）系统中，氮化镓器件可以显著提高系统的效率和可靠性。
此外，在电动汽车充电站、风力发电和太阳能发电等领域，氮化镓器件也发挥着重要作用。
氮化镓材料特性及AlGaN_GaNHEMT器件工作原理
氮化镓材料特性及AlGaN/GaN HEMT器件工作原理发布时间：2022-06-22T01:24:39.066Z 来源：《中国科技信息》2022年2月第4期作者：杨明越肖燕林春凤[导读] 具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一杨明越肖燕林春凤中国振华集团永光电子有限公司摘要：具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一，推动微电子领域和光电子学领域向前迈出了极为重要和有重大意义的一步，而以GaN材料制造的功率半导体器件AlGaN/GaN HEMT器件对半导体器件领域的发展也有着极其重大的影响。
本文概述了GaN材料的基本特性以及AlGaN/GaN HEMT 器件的工作原理。
氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一，具有许多良好的特性，使得氮化镓材料成为推动光电子、高温大功率器件和高频微波器件不断向前发展的重要材料。
GaN材料使得光电子学方向有了许多突破性进展。
如：蓝光LED、CW蓝光激光器、GaN紫外探测器等。
GaN材料的优势主要有以下几个方面：（1）禁带宽度比较大GaN的禁带宽度高达3.4eV，大约是第一代半导体材料Si的3倍，第二代半导体材料GaAs的2.4倍；抗辐照能力也远远大于Si和GaAs。
所以GaN基宽禁带半导体器件对于推动空间科学和技术领域的发展有着极其重要的作用。
又因为 GaN材料本征载流子浓度很低，在一定的温度范围内，能够较为精准的控制自由载流子的浓度，所以GaN基宽禁带半导体器件在高温条件下仍然具有稳定性。
（2）相对介电常数较低GaN材料的相对介电常数是9.8，比之第一代半导体材料Si低了1.6，更是第二代半导体材料GaAs低了3.3左右。
电容C与介电常数ε的关系：C=εS/4πkd，电容与介电常数成正比；所以在掺杂浓度和外加电压相同的情况下，GaN材料构成的PN结电容比Si和GaAs都小，更适用于高频。
氮化镓功率器件模块封装技术研究进展
应用前景
氮化镓功率器件模块封装技术的应用前景广泛，主要体现在以下几个方面：
1、高频领域：氮化镓功率器件具有高频率、高效率和高稳定性等优点，使 其在高频领域具有广泛的应用前景。例如，在通信系统中，氮化镓功率器件可以 用于射频功率放大器、高效率整流器等关键部件。
2、高温领域：氮化镓功率器件具有优异的热稳定性，可以在高温环境下稳 定工作。这使得它在高温领域的应用具有显著优势。例如，在航天、军事等领域， 氮化镓功率器件可以用于高温电源、导弹制导系统等关键部位。
研究现状
目前，氮化镓功率器件模块封装技术的研究主要集中在以下几个方面：
1、直接集成封装技术：该技术将氮化镓功率器件直接集成到封装基板上， 具有体积小、重量轻、热阻低等优点。但这种技术对封装基板的要求较高，需要 具备高导热性、高绝缘性和良好的机械强度。
2、侧面散热封装技术：该技术通过在氮化镓功率器件的侧面设置散热通道， 将热量导出，提高器件的可靠性。但这种技术的散热效率相对较低，需要采取其 他措施来增强散热效果。
3、高速运算领域：氮化镓功率半导体器件的高温特性使其在高速运算领域 也有着广泛的应用。例如，在超级计算机、数据中心等高功率、高温的环境中， 氮化镓功率半导体器件可以作为高效率的功率转换器件，提高计算机系统的性能 和速度。
三、氮化镓功率半导体器件的技 术发展
随着科技的不断发展，氮化镓功率半导体器件的技术也在不断进步。目前， 已经开发出了多种氮化镓功率半导体器件，如Heterostructure FET（HFETs）、 Schottky Barrier Diodes（SBDs）、High Electron Mobility Transistors (HEMTs)等。这些器件在结构和性能上各有特点，可以根据不同的应用需求进行 选择。
第三代宽禁半导体材料GaN(氮化镓)研究分析
广州创亚企业管理顾问有限公司第三代宽禁半导体材料GaN （氮化镓）研究分析目录contents一、5G应用的关键材料（一）认识第三代半导体材料1、半导体材料的由来2、第一代半导体材料3、第二代半导体材料4、第三代半导体材料（二）第三代半导体材料的特点1、碳化硅（SiC）2、氮化镓（GaN）二、氮化镓（GaN）（一）GaN技术的发展历史（二）GaN的优点1、GaN 在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率2、GaN 在微波射频领域：高效率、大带宽与高功率3、与第二代半导体材料GaAs更具优势三、GaN市场（一）市场空间1、0~900V的低压市场空间宏大2、GaN RF 市场即将大放异彩（二）射频是主战场1、GaN 是射频器件的合适材料2、5G应用的关键技术3、GaN 电力电子器件典型应用：快充电源四、GaN产业链（一）GaN工艺与流程（二）芯片制造过程1、流程2、GaN衬底3、GaN外延片4、GaN外延使用不同衬底的区别5、GaN器件设计与制造由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%)的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
2、第一代半导体材料第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。
GaN基共振隧穿二极管结构和机理研究
GaN基共振隧穿二极管结构和机理研究GaN基共振隧穿二极管结构和机理研究摘要:GaN基共振隧穿二极管是一种新颖的半导体器件，其在高频和高功率应用领域具有潜在的广阔发展前景。
本文通过对GaN基共振隧穿二极管的结构和机理进行详细研究，分析了其主要特性和优势，并对其应用进行展望。
引言:随着现代电子技术的快速发展，对高功率和高频率应用的需求也越来越迫切。
而传统的硅基半导体器件在高频和高功率应用方面存在一些限制，这促使人们寻求新的材料和器件结构。
氮化镓（GaN）材料因其优异的电子输运特性成为高功率和高频率应用的理想选择。
GaN基共振隧穿二极管是基于GaN材料开发的一种新型器件，具有优异的性能和潜在的应用前景。
1. 结构设计:GaN基共振隧穿二极管的结构相对简单，由P型和N型GaN材料组成。
其核心结构是由P-N结形成的二极管区域。
在二极管结构的一侧，形成了共振隧穿二极管的共振区域，其长度根据设计需求可进行调节。
共振区域的设计目的是通过量子隧穿效应来增强电子的传输和注入。
2. 工作原理:GaN基共振隧穿二极管的工作原理基于量子隧穿效应。
当施加一个正向偏置电压时，在共振区域的电子能级与P型区的价带相对隔离，电子通过量子隧穿效应穿越能带间隔。
这种量子隧穿效应导致电流在低电压下就能流过二极管，并使电流密度在几个数量级上增加。
与传统二极管相比，共振隧穿二极管具有更低的平峰电压、更高的开关速度和更小的失真。
3. 主要特性:GaN基共振隧穿二极管具有许多优异的性能特点。
首先，它具有较低的平峰电压，这使得它能够在低电压下实现高效能源转换。
其次，共振隧穿二极管具有更高的开关速度，有助于实现高频率操作。
此外，它还具有较小的失真，对高精度信号处理非常有利。
因此，GaN基共振隧穿二极管在高频和高功率应用领域具有广阔的应用前景。
4. 应用展望:GaN基共振隧穿二极管的广阔应用前景主要体现在高功率和高频率电子应用领域。
在高功率应用方面，共振隧穿二极管可以被用作高效能源转换器件，可应用于电力电子、电动汽车和航空航天领域。
GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展
基金项目:国家重点研发计划(2017YFB 0403000)收稿日期:2020-07-23㊀㊀㊀通信作者:蔡小龙作者简介:孙梓轩(1995-),男,安徽安庆人,工程师,硕士,从事氮化镓射频器件可靠性研究工作;蔡小龙(1989-),男,山东东营人,工程师,博士,主要从事碳化硅光电器件及氮化镓射频器件等方面的研究工作㊂第39卷㊀第12期2020年12月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .12Dec .2020GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展孙梓轩1,2,蔡小龙1,2,3,杜成林1,2,段向阳2,陆㊀海3(1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室,广东深圳㊀518057;2.中兴通讯股份有限公司,江苏南京㊀210012;3.南京大学电子科学与工程学院,江苏南京㊀210093)㊀㊀摘要:氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )凭借着高电子迁移率㊁低导通电阻和高击穿场强等优点,在高频器件和大功率开关器件等领域得到了广泛运用㊂但经时击穿会导致在正常工作电压范围内的器件发生失效,因此GaN 器件的经时击穿成为了评估器件可靠性的关键因素㊂介绍了GaN HEMT 经时击穿的现象及偏压依赖性,总结了经时击穿的物理机制,讨论和展望了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端结构对提升器件的经时击穿可靠性的作用㊂关键词:氮化镓;高电子迁移率晶体管;综述;经时击穿;失效;可靠性DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.0523中图分类号:TN 304.2㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AResearch progress on reliability of time -dependentbreakdown in GaN HEMTSUN Zixuan 1,2,CAI Xiaolong 1,2,3,DU Chenglin 1,2,DUAN Xiangyang 2,LU Hai 3(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518057,Guangdong Province,China;2.ZTE Corporation,Nanjing 210012,China;3.School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China)㊀㊀Abstract :Due to their high electron mobility ,low on -resistance and high breakdown field ,GaN high electron mobility transistors (HEMTs )are widely used in high frequency and high power switching devices.Time -dependent breakdown becomes a keyfactor in evaluating the reliability of GaN HEMT ,because it could lead to failure of the device under normal operating voltage.In this paper ,the phenomena and bias dependence of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are introduced ,and its physical mechanism are also summarized.The effect of the field plate ,passivation layer ,and gated edge termination structure to the the reliability improvement of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are discussed.Key words :GaN ;high electron mobility transistor (HEMT );review ;time -dependent breakdown ;failure ;reliability㊀㊀由于具备高电子迁移率㊁高热导率㊁宽禁带等特点,氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )成为了第三代半导体器件的研究热点[1-2]㊂在不同衬底的GaN HEMT 中硅(Si )基GaN HEMT 具有低成本㊁大尺寸以及与Si 基互补型金属氧化物半导体(CMOS )工艺相互兼容等优势,被广泛应用于转换开关㊁充电设备等电子电力领域㊂相比传统的Si 基CMOS 器件,GaN HEMT 具备更低的导通电阻和更大的开关频率,这些特性降低了开关器件的功率转换损耗[3-4]㊂由于功率转换损耗占全球用电量的10%,因此规模性采用高效功率转换器可以节约全球大量的电力资源㊂与Si 基器件相比,采用碳化硅(SiC )衬底的GaN 器件具备更高的热导率,降低了沟道温度带来的不利影响,因此SiC 基GaN HEMT 被广泛应用于高功率射频器件中[5]㊂此外,GaN 材料的击穿场强高达约3.3MV /cm ,使GaN HEMT 高压器件能够在超过1000V 的电压下有效运行[6-7],展现了在汽车充电桩和大型工业电源应用中的广阔前景㊂但是在实际应用中,GaN HEMT 存在着经时击穿㊁自热效应㊁电流崩塌以及热载流子效应等可靠性问题,严重影响了GaN HEMT 的工作稳定性和使用寿命,因此评估和提升GaN HEMT 的可靠性成为2㊀Vol.39No.12 Dec.2020了继续扩大器件商用规模的重要一环㊂通常而言, GaN HEMT的抗击穿能力是一项关键的可靠性指标,这决定了器件的使用场景以及使用寿命,当器件的抗击穿能力与使用场景不匹配时,将会发生器件级甚至系统级的失效㊂另外,在对GaN HEMT进行击穿测试时发现,器件会发生经时击穿(TDDB, Time-Dependent Breakdown),即器件长时间处于正常工作电压范围内发生击穿失效的现象[8-10]㊂这种可靠性问题会导致GaN HEMT工作在合适的使用场景中也可能会发生失效,因此GaN HEMT的经时击穿需要得到更多的关注㊂在传统的Si基CMOS器件中,经时击穿的相关机理已经得到了深入的研究[11-13]㊂通过参考CMOS 器件经时击穿的研究思路,可以确定在研究GaN HEMT经时击穿时,首先需要了解器件经时击穿的偏压依赖性,然后根据实验结果分析出器件经时击穿失效的物理机理,最后基于前期的研究结果,优化器件的结构来提升器件的经时击穿可靠性㊂在本文中,首先介绍了GaN HEMT的经时击穿现象以及这种现象对电压的强依赖性,然后总结了GaN HEMT经时击穿的物理机理,最后讨论了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端(GET)结构对器件经时击穿可靠性的提升㊂这将会有助于从器件工艺层面有效改善经时击穿,从而提升器件寿命及可靠性㊂1㊀GaN HEMT的经时击穿特性介绍1.1㊀经时击穿的电流特性通常采用在栅极施加电压应力,源极和漏极接地,并检测栅电流随应力时间变化的方式来表征GaN HEMT的栅极经时击穿特性㊂以Wu和Meneghini等的研究为例[14-15],在固定栅应力下测得的栅电流的变化:栅电流最初较为稳定,并在陷阱俘获效应的作用下略有下降㊂在应力时间增加到320s之前,栅电流与阈值电压都随着时间增加呈指数形式的降低,如图1(a)所示;320s之后,在栅应力的作用下大量陷阱在器件中生成,从而增大了栅电流噪声幅度,如图1(b)所示;随着应力时间的进一步增加,器件发生击穿失效,此时可以观测到器件的栅电流突然急剧增加(图1(c))㊂1.2㊀经时击穿的偏压依赖性为了研究GaN HEMT经时击穿的电压依赖性, Marcon等进行了几组不同恒定电压应力下的经时击穿测试[16]㊂在实验中对三组相同型号的器件分别施加了55,60和65V三个不同的应力电压㊂实验表明,器件的击穿时间(t BD)随着应力电压的增加而减小,如图2所示㊂因此,器件的经时击穿具有明显的偏压依赖性,即更高的偏压降低了器件的击穿时间[17-19]㊂根据经时击穿的电压依赖性,可以确定器件的内部电场对经时击穿起到了主导作用,在后续的器件设计中需要对器件的内部电场峰值进行优化处理㊂图1㊀(a)GaN器件在不同栅电压下,栅电流随应力时间的变化图[14];(b)栅电流噪声幅度随应力时间变化图;(c)阈值电压随应力时间的退化图[15]Fig.1㊀(a)The relationship between the gate current and stress time in GaN HEMT under various stresses[14];(b)Thegate current noise amplitude changes with stress time; (c)The threshold voltage degradation with stress time[15]图2㊀经时击穿的电压依赖性[17]Fig.2㊀Voltage dependence of time-dependent breakdown[17] 2㊀GaN HEMT的经时击穿机理2007年,Inoue等研究了GaN HEMT经时击穿与初始栅极泄漏电流之间的关系[20],发现了初始泄漏电流较大的器件更容易发生经时击穿㊂因此,认为GaN HEMT的经时击穿与栅极泄漏电流路径有关,长时间的电压应力会增加器件的栅极泄漏电流孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期3㊀路径,导致栅极出现急剧的电流增加现象㊂2012年,Meneghini 等提出了渗流路径物理模型来解释施加反向栅极应力时,器件参数的可逆性和永久性退化,并通过2D 仿真结果证明了该模型的合理性[15]㊂该模型认为,经时击穿是在长时间的电压应力下,于AlGaN 层中产生陷阱并最终形成渗流路径的过程㊂器件经时击穿的物理机制可以由以下六个过程进行描述:(1)器件的缓冲层中存在着施主-深受主对,当向GaN HEMT 施加反向偏置时,高能电子从栅极注入到AlGaN 层,AlGaN 层中的电子积累会导致栅极泄漏电流呈指数下降;(2)在高电场的作用下,电子从AlGaN 层注入到缓冲层中;(3)当在器件上施加较高的反向应力时,电子会获得足够的能量,同时缓冲层中的深受主杂质发生电离,这一过程在场致发光(EL )的光谱上产生宽的黄色发射峰[21-22],或者促使电子从价带转移到深受主能级并产生自由空穴;(4)在器件栅极上施加了较高的负偏压后,缓冲层中的空穴会积聚在AlGaN/GaN 界面处或被AlGaN 层中的陷阱捕获,此时界面处和AlGaN 层中的陷阱都处于正电态,这些正电荷产生的静电势会导致器件的阈值电压降低,如图3(a )所示;(5)在栅极应力下,由于器件内部存在高电场,电子会在AlGaN 层中随机产生陷阱,这些陷阱可以俘获电子,并导致栅极电流噪声增加;(6)随着应力时间的增加,陷阱会发生重叠,在栅极和缓冲层之间产生渗流路径,并导致栅极永久退化㊂基于此模型,可以判断高原生陷阱密度的器件应比低陷阱密度的器件更易发生经时击穿㊂图3(b )中的结果证实了这一判断:对在相同应力条件下的相同型号但初始泄漏电流不同的器件进行经时击穿测试,结果显示t BD 与初始泄漏电流(初始泄漏电流的大小与器件的原生陷阱密度有关)具有幂律关系(Power Law)㊂图3㊀(a )陷阱机制示意图;(b )击穿时间与器件初始泄漏电流的关系[15]Fig .3㊀(a )Schematic representation of the trap mechanism ;(b )Dependence of t BD on the initial leakage current [15]2015年,Wu 等研究了采用等离子体增强原子层沉积(PE -ALD )氮化硅(SiN x )作为栅介质的GaN HEMT 的经时击穿,发现器件在长时间栅应力下,栅介质中会产生陷阱并形成渗流路径,导致器件击穿㊂在此研究中,通过对比耗尽型(D -mode )HEMT 和增强型(E -mode )HEMT 经时击穿点分布的区别,发现栅极在AlGaN 层中拐角处的介质比栅极下侧的介质薄,更容易形成渗流路径导致器件发生经时击穿[14]㊂同年,Meneghini 等结合实验数据和仿真结果,发现了在应力条件下,GaN HEMT 器件漏极侧的栅极边缘拐角处具有很强的电场尖峰,强电场会使载流子具备更高的能量,从而更容易在钝化层中产生陷阱,这些陷阱会导致栅极边缘拐角处发生击穿[23]㊂2017年,Hu 等对GaN HEMT 栅极下方区域的经时击穿进行了实验和仿真分析,发现了GaN 器件的GET 结构在栅应力下会发生两次经时击穿的现象[24]㊂为了探究双次击穿的原因,他们仿真了栅应力-500V 下器件栅极边缘端的电场分布㊂仿真结果显示,栅极下方的二维电子气(2DEG )耗尽区域存在较大的电场,且栅极边缘终端拐角处的电场峰值高达约5MV /cm ㊂据此可以判断第一次击穿过程是在栅极边缘终端拐角处的金属/绝缘体/半导体(MIS )结构中的Si 3N 4介质层内形成了渗流路径㊂第一次击穿后器件的AlGaN /Si 3N 4界面处存在较高的泄漏电流,所以第二次击穿发生在AlGaN 层中㊂对于具有GET 结构的GaN HEMT 器件,高电场的作用会导致PE -ALD Si 3N 4首先被击穿,然后在AlGaN 势垒中发生第二次击穿㊂同年,Tallarico 等研究了具有p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 的经时击穿[25]㊂根据Arrhenius 曲线估算出了陷阱激活能E a ʈ0.44eV ,通过与GaN 和AlGaN 器件的深能级陷阱数据库相对比[26],认为0.44eV 激活能的陷阱与p -GaN 层中的氧杂质有关[27],这意味着在长时间的栅极应力条件下,渗流路径逐渐在p -GaN 层中形成,最终导致器件栅极发生经时击穿㊂2019年,He 等提出了p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 存在两个阶段的经时击穿[28]㊂第一阶段的经时击穿是金属/p -GaN 界面附近的耗尽层中生成的陷阱所引起的击穿;第二阶段是AlGaN 势垒层中产生的陷阱导致AlGaN 被击穿㊂在器件栅极施加正向应力后,p -GaN 层内的耗尽层使金属/p -GaN 肖特基结被反向偏置,而p -i -n 异质结被正向偏置㊂孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展4㊀Vol.39No.12 Dec.20202DEG中的电子将从AlGaN势垒溢出,并注入进p-GaN层中(如果栅极应力很大,栅极也会向p-GaN层注入空穴)㊂载流子在p-GaN耗尽层的高电场作用下加速并变成高能载流子,这些高能载流子将轰击金属/p-GaN界面或界面附近的p-GaN 层,在界面处或p-GaN层中产生陷阱㊂在长时间的应力作用下,陷阱密度逐渐增加并将栅极接触从肖特基型转变为类欧姆型,引发第一次栅极击穿㊂之后,栅极电压主要被施加在了AlGaN层,陷阱开始在AlGaN层中产生,并形成渗流路径造成AlGaN 层被击穿㊂同年,Lee等研究了在交流(AC)和直流(DC)栅应力下的GaN HEMT的经时击穿,发现器件在AC应力下具备更长的t BD[29]㊂在正的DC栅应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘靠近费米能级,因此AlGaN和栅介质层界面处会积累电子,导致栅介质层电场增加㊂在高电场作用下,栅介质会更易发生经时击穿㊂然而,在AC应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘离费米能级较远,不会在AlGaN 和栅介质界面积累电子㊂所以,AC应力下的GaN HEMT具备更久的t BD㊂3㊀经时击穿可靠性的提升3.1㊀场板技术在GaN HEMT器件工作的过程中,自热效应会导致在AlGaN层表面处产生陷阱[30],同时,器件制备阶段也会在AlGaN层表面引入原生陷阱,这些陷阱可以捕获电子,并在AlGaN层表面形成负电荷㊂表面的高浓度负电荷使AlGaN能带发生弯曲,减薄了AlGaN势垒厚度,热电子更容易发生隧穿,隧穿电流过大会使器件更易发生经时击穿[31]㊂此外,器件栅极边缘拐角处存在电场尖峰,高电场会导致该区域更易产生陷阱,从而影响器件的经时击穿可靠性㊂因此,优化器件的内部电场分布,可以有效提升器件经时击穿可靠性㊂图4为具有场板结构的GaN HEMT剖面示意图,可以发现场板被放置在栅极上方,并且覆盖了栅源区域㊂由于场板与GaN HEMT的源极相连接,当器件处于工作状态时,场板与源极都处于低电位,所以栅极附近的电力线会受到低电位的吸引,部分电力线会从沟道指向场板,缓解了栅极边缘的电场尖峰,降低了栅极漏端附近的电场峰值[32-34]㊂即使在AlGaN层存在缺陷电荷,场板结构也可以使器件内部电场均匀地分布在栅极和漏极之间,降低了陷阱对AlGaN层势垒的影响㊂图4㊀场板结构示意图Fig.4㊀Schematic diagram of field plate structure 2018年,Kabemura等研究了GaN HEMT的场板结构对经时击穿的影响[35]㊂实验结果显示,场板结构的应用可以有效改善器件的经时击穿㊂其中,场板长度在0.2~0.3μm时,GaN HEMT具备最佳的经时击穿可靠性㊂当场板过长,场板边缘到漏端的距离过短时,电场会在场板边缘到漏端区域形成尖峰,导致器件更容易被击穿㊂3.2㊀钝化层技术传统的GaN HEMT工艺主要采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiN x作为HEMT的钝化层[36],SiN x钝化了AlGaN层的表面态,降低了由表面态引起的栅漏边缘电场和栅泄露电流,从而优化了HEMT的经时击穿可靠性㊂2016年,Bao等研究指出传统PECVD SiN x钝化层工艺中的活性等离子体源会破坏AlGaN表面并形成表面陷阱,增加器件的泄漏电流[37-38]㊂因此, PECVD工艺会导致器件的功耗增加以及可靠性变差㊂相比而言,低压力化学气相沉积法(LPCVD)是一种高生长温度和无等离子体源的工艺方法,该方法可以避免等离子体源对AlGaN表面的破坏㊂因此采用LPCVD SiN x代替PECVD SiN x作为GaN HMET的钝化层,提升了器件击穿电压,增强了器件的经时击穿可靠性,降低了栅极泄漏电流以及SiN x/AlGaN界面陷阱密度[39-41],但LPCVD SiN x工艺比PECVD SiN x工艺需要耗费更多的时间㊂2019年,Gao等提出了采用NiO x/SiN x和Al2O3/SiN x代替SiN x作为GaN HEMT的钝化层[42]㊂通过电子束蒸发(EB)沉积Ni和Al薄膜,然后在氧环境中退火来制备NiO x和Al2O3㊂由于NiO x和Al2O3都是化学性质稳定的氧化物且具有良好的绝缘性,所以它们可以被用作HEMT的钝化层㊂为了防止金属层被氧化物氧化,在钝化层工艺中采用NiO x/SiN x(Al2O3/SiN x)的堆叠工艺㊂他们在实验孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期5㊀中对比了NiO x /SiN x (Al 2O 3/SiN x )工艺与传统的单层PECVD SiN x ,结果显示采用NiO x /SiN x 和Al 2O 3/SiN x 作为钝化层抑制了HEMT 的电流崩塌效应,降低了栅极泄漏电流,增强了器件的抗击穿能力㊂相比于SiN x 材料,采用高k 材料如:HfO 2(相对介电常数εr ʈ20)[43]㊁LaLuO 3(εr ʈ20)[44]和TiO 2(εr ʈ20)[45]作为GaN HEMT 的钝化层也得到了广泛的研究㊂研究表明采用高k 材料的钝化层降低了器件栅极下方的电场峰值,使栅极和漏极之间的电场分布变得平滑,提升了器件的击穿电压和经时击穿可靠性[46-47]㊂2018年,Kabemura 等研究了不同介电常数的高k 材料对GaN HEMT 栅下电场的影响[35]㊂结果表明,更高介电常数的高k 材料更好地优化了HEMT 栅极下方的电场,增加了器件的击穿电压㊂3.3㊀GET 结构AlGaN /GaN 肖特基势垒二极管(SBD )结构是GaN HEMT 的重要组成部分[48-49]㊂在栅极应力下,SBD 结构中的AlGaN 层被击穿是导致GaN HEMT 经时击穿的关键原因[24,28-29]㊂因此,对SBD 结构的优化可以增强GaN HEMT 的经时击穿可靠性㊂2013年,Lenci 提出了GET 结构[50],通过在GaN HEMT 的栅极边缘增加一层Si 3N 4介质层,来改善器件的栅极边缘电场特性,如图5所示㊂在AlGaN /栅金属界面引入Si 3N 4介质层,不仅钝化了AlGaN 表面的陷阱,也增加了界面势垒高度,从而降低了栅极隧穿电流㊂实验结果显示,具有GET 结构的HEMT 在-600V 栅电压下的栅泄漏电流低于1μA /mm ,比传统栅极结构HEMT 的栅极泄漏电流低约四个数量级,这表明GET 结构的HEMT 具备更好的耐击穿性能㊂图5㊀GaN HEMT 中的栅极边缘终端(GET )结构示意图[50]Fig .5㊀Schematic diagram of gated edge termination structurein GaN HEMT [50]为了提升GET 结构的经时击穿可靠性,2017年Hu 等提出了采用体膜质量更佳的金属有机物化学气相沉积(MOCVD )Si 3N 4代替PE -ALD Si 3N 4作为GET 结构中的介质层[24]㊂他们在实验中对比了分别采用25nm MOCVD Si 3N 4和25nm PE -ALD Si 3N 4作为介质层的GET 结构的经时击穿结果,发现采用MOCVD -Si 3N 4介质层可以将器件的t BD 提升十倍,并且将击穿电压从15V 提升至25V ㊂2018年,Acurio 等提出了双层GET 结构来改善SBD 的经时击穿[51]㊂与传统的GET 结构相比,双层GET 结构通过添加第二个GET 层,在AlGaN 势垒内形成了一个新的电场尖峰,这不仅减轻了第一个GET 结构拐角处的电场,而且使电场的分布更加均匀㊂实验结果显示,相比传统的GET 结构,双层GET 结构有效延长了SBD 的击穿时间㊂这种双层GET 结构也可以引入到GaN HEMT 中,改善器件栅极边缘以及AlGaN 层的电场分布,降低器件的泄漏电流,从而改善器件的经时击穿可靠性㊂4㊀结语GaN HEMT 具备高工作频率㊁高能量密度等优势,在高频㊁高功率器件等领域得到了广泛的应用,然而GaN HMET 器件的可靠性问题成为了限制GaN 器件发展的瓶颈㊂其中,经时击穿可靠性问题作为GaN 器件可靠性研究的关键一环,得到了越来越多的关注㊂本文介绍了GaN HEMT 在长时间栅应力下发生经时击穿的现象及其偏压依赖性㊂随后,总结了GaN HEMT 栅极介质层和AlGaN 层经时击穿的物理机制㊂最后,讨论了通过场板技术㊁钝化层以及GET 技术对GaN HEMT 经时击穿可靠性的提升㊂其中,场板技术降低了栅极边缘处的电场尖峰,改善了器件的经时击穿㊂钝化层技术通过降低器件的初始泄漏电流和栅漏之间的尖峰电场,以提升器件的抗击穿能力㊂GET 结构则是侧重于栅极介质层工艺,不仅降低了栅边缘处的尖峰电场,也抑制了渗流路径的产生㊂这三种工艺技术在器件制备中的灵活运用,可以更好地提升器件的经时击穿可靠性,延长器件的使用寿命,拓宽器件的应用场景㊂参考文献:[1]Ma B D.Driving GaN power transistors [C ]//31stInternational Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD ).NY ,USA :IEEE ,2019:87-90.[2]Li X ,Amirifar N ,Geens K ,et al.GaN -on -SOI :monolithically integrated all -GaN ICs for power孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展6㊀Vol.39No.12Dec.2020 conversion[C]//2019IEEE International ElectronDevices Meeting(IEDM).NY,USA:IEEE,2019:4.4.1-4.4.4.[3]冯旭东,胡黎,张宣,等.GaN功率器件栅驱动电路技术综述[J].微电子学,2020,50(2):207-213. 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氮化镓基共振隧穿二极管基础与关键技术研究
氮化镓基共振隧穿二极管基础与关键技术研究氮化镓基共振隧穿二极管基础与关键技术研究引言：在当今电子工业中，高性能快速电子器件的需求不断增长，迫切需要研发新型的高频、高功率器件。
氮化镓（GaN）基共振隧穿二极管（RTD）作为一种最新的半导体器件，具有高速、高功率和高线性度等优越特性，在射频功率放大器、无线通信和雷达等领域具有广阔应用前景。
一、氮化镓基材料特性氮化镓材料以其较高的饱和电子迁移率、较高的热稳定性和宽带隙等特性成为高频、高功率器件研究的关键材料。
氮化镓材料具有优异的热导率和高介电常数，使其能够适应高功率器件对散热和电磁性能的要求。
二、共振隧穿二极管的基本原理共振隧穿二极管是一种基于量子力学效应的器件，其基本原理是通过电子在简并化态、共振隧穿效应下的运动，实现低波导损耗、高速电子传输。
共振隧穿二极管的能带结构和异质结构影响了其电子运动和隧穿概率，从而决定了器件的性能。
三、氮化镓基共振隧穿二极管的关键技术1. 氮化镓材料生长技术：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）等技术，能够在氮化镓衬底上生长高质量的氮化镓材料，提高器件性能。
2. 异质结构设计：通过设计合适的异质结构，调控能带结构，提高共振隧穿效应。
3. 优化结电容：合理设计限制性通道导管结构，减小电容，提高共振隧穿效率。
4. 优化结电阻：通过优化材料选择和结构设计，减小结电阻，降低功耗。
5. 热稳定性研究：针对高功率应用，研究氮化镓材料的热稳定性，提高器件的可靠性和使用寿命。
四、氮化镓基共振隧穿二极管的应用前景氮化镓基共振隧穿二极管在高频、高功率放大器、射频开关、无线通信和雷达等应用中具有广泛的前景。
其高速、高功率和高线性度等特性使其成为下一代无线通信系统、射频功率放大器和雷达装备中的关键器件。
结论：氮化镓基共振隧穿二极管作为一种新型的半导体器件，具有很强的应用潜力。
通过对氮化镓材料的生长技术和共振隧穿二极管的关键技术的研究，可以进一步提高该器件的性能指标。
新型GaN基RC-IGBT的研究
新型GaN基RC-IGBT的研究新型GaN基RC-IGBT的研究近年来，随着电力电子技术的快速发展和能源需求的不断增加，高性能功率电子器件备受关注。
而作为一种重要的功率开关器件，绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)在能量转换和控制方面具有广泛的应用。
然而，传统的IGBT器件在高压、高功率和高频应用中存在一些不足之处，如开关速度较慢、损耗大等。
为了解决这些问题，新型GaN基RC-IGBT被提出，并引起了广泛的研究兴趣。
GaN基RC-IGBT是一种将氮化镓(Gallium Nitride, GaN)半导体材料应用于IGBT结构的新型器件。
相较于传统的硅(Si)材料，氮化镓材料具有优异的能带结构、高导电性和较高的断电场强度，使得GaN基RC-IGBT在高压和高频应用中具备极大的优势。
同时，GaN材料具有较高的热导率和耐辐照性，能够提高器件的稳定性和可靠性。
在GaN基RC-IGBT的结构设计中，引入了嵌入式RC电路。
这个嵌入式RC电路包括嵌入在IGBT的栅极和源极之间的电阻和电容元件。
通过这种设计，能够在IGBT的开关过程中控制栅极电势的变化速率，从而实现快速开关过程和降低器件的开关损耗。
此外，嵌入式RC电路还能够提高器件的抗干扰能力，减小电磁辐射。
为了验证新型GaN基RC-IGBT的性能，研究人员进行了一系列实验和仿真研究。
首先，通过材料生长和器件加工工艺，成功制备出了GaN基RC-IGBT器件。
然后，在实验平台上进行了电性能测试。
结果显示，与传统的Si-IGBT相比，GaN基RC-IGBT具有更低的开关时间和导通电阻，同时能够承受更高的压降。
这表明，GaN基RC-IGBT在高频和高压应用中具有更优异的性能。
此外，仿真研究也进一步验证了新型GaN基RC-IGBT的性能优势。
通过建立电路模型和参数拟合，模拟器件在不同工作条件下的动态特性。
仿真结果显示，GaN基RC-IGBT能够实现快速的开关过程并保持较低的开关损耗。
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氮化镓基半导体电力电子器件击穿机理研究
氮化镓基半导体电力电子器件击穿机理研究
引言：
随着现代电力系统的发展和需求的不断增加，电力电子器件在电力传输和转换中起着至关重要的作用。
而高功率、高电压、高频率等特点使得电力电子器件的设计和可靠性研究变得尤为重要。
氮化镓基半导体作为一种新型的材料，在电力电子领域中具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨氮化镓基半导体电力电子器件的击穿机理。
一、氮化镓基半导体材料简介：
氮化镓材料以其优异的电学性能、热导率和机械性能，在电力电子器件中得到广泛应用。
其具有较宽的能带隙、较高的电子饱和迁移率和较小的漂移长度，使得其具备抗击穿的优势。
氮化镓基半导体材料的特点决定了其在高温、高功率、高频率等工作环境下具备出色的性能和应用前景。
二、氮化镓基半导体器件击穿机理：
氮化镓基半导体器件的击穿机理主要涉及以下几个方面：
1. 动力学击穿机理：
氮化镓基半导体中的载流子在外加电场作用下会发生加速并获得较高的能量。
当载流子在较短的时间内获得的能量超过了晶格的束缚能，则可能引起击穿现象。
在高电压条件下，由于电场强度增加，载流子获得的能量也随之增加，从而增加了击穿的可能性。
2. 界面击穿机理：
由于氮化镓基半导体材料与其他材料之间的电场分布不均匀，会导致电场集中现象。
在电场集中区域材料的电阻减小，容易
引起较大的电流密度，从而促进击穿的发生。
界面击穿主要与材料的绝缘性能有关。
3. 热击穿机理：
在高功率和高电流密度下，电力器件会产生较大的热量。
而氮化镓基材料具有较高的热导率，可以有效地导出热量，降低温度升高对器件性能的影响。
然而，在极端条件下，器件温度的突然上升会导致材料的热击穿。
4. 斯托克斯击穿机理：
氮化镓基半导体器件中存在杂质或缺陷，这些杂质或缺陷会在外加电压作用下形成一系列电场集中区域。
当电场集中区域达到一定程度时，电子与声学或光学声子发生散射反应，产生热能，从而导致击穿现象。
三、氮化镓基半导体器件击穿机理的研究方法：
为了更好地理解氮化镓基半导体器件的击穿机理，研究者通过实验和计算模拟等方法进行研究。
实验方法主要包括电场探测、电子能谱分析和热失真测量等。
计算模拟方法则运用电磁场、电子输运和热传导等相关理论，通过计算软件模拟器件在不同工作条件下的电场分布、载流子输运和温度分布等参数。
结论：
本文综述了氮化镓基半导体电力电子器件击穿机理的相关研究进展。
动力学击穿、界面击穿、热击穿和斯托克斯击穿是氮化镓基半导体器件击穿的主要机理。
通过实验和计算模拟等方法，研究者正在不断深入探索和理解器件在不同工作条件下的击穿现象。
未来的研究可以进一步优化材料和器件的结构，提高其电气和热学性能，从而增加器件的可靠性和应用范围
综合上述讨论，我们可以得出以下结论：氮化镓基半导体器件的击穿机理主要包括动力学击穿、界面击穿、热击穿和斯托克斯击穿。
为了深入理解这些击穿机理，研究者采用了实验和计算模拟等方法进行研究。
通过优化材料和器件的结构，未来有望提高氮化镓基半导体器件的电气和热学性能，从而增加其可靠性和应用范围。
这些研究进展对于提高电力电子器件的性能以及推动半导体技术的发展具有重要意义。