势垒调制技术
势垒调制技术包括薄势垒、P型帽层、含Al缓冲层、极化抵消以及局部背势垒缓冲层等技术手段，其中薄势垒技术是较早地在AlGaN/GaN异质结器件中实现增强型的技术。由于2DEG主要来自AlGaN层中压电极化电荷的吸引，因此对AlGaN层的压电极化进行削弱是自然而然的思路。
图1 薄势垒增强型AlGaN/GaN HEMT结构
具体来说，即在AlGaN/GaN异质结外延的过程中，降低AlGaN层的外延厚度。如图1所示而当低Al组分的AlGaN层厚度降低到10nm时，异质结中的2DEG浓度将会剧烈降低。此时，利用高功函数栅极的耗尽作用，可以形成阈值电压在0V左右的赝增强型MISFET。然而，本文本着探究的原则对所报道的薄势垒结构进行仿真研究，其结果如图2所示，器件并未有明显的开关性能，这可能和所报道的器件外延层中背景载流子数量较多有关，这是因为十几年前的外延工艺并不十分成熟。也有可能是所报道的实验结构中栅极对沟道进行了全覆盖的缘故。
图2 薄势垒增强型AlGaN/GaN HEMT转移特性仿真曲线
当然，随着2DEG浓度的降低，器件对电流输运的能力也会降低，因此这种技术虽然在某种程度上实现了增强型功能，但是由于其对器件电流输运能力负面影响太大，不具有被看好的发展前景。与此类似的是含Al缓冲层技术。这种技术的思路是在外延片制备的过程中通过对AlGaN/GaN异质结的GaN层进行低Al组分掺杂，来降低异质结界面处的极化强度以减少极化电荷，进而降低2DEG浓度以实现增强型性能。本文对利用低Al组分缓冲层技术调制AlGaN/GaN异质结器件阈值电压进行了初步仿真验证，其中具有不同Al组分缓冲层的器件转移特性如图3所示。可以明显观察到器件随着含Al的GaN层中Al组分的提高，阈值电压开始右移。同时，随着Al组分的增高，饱和电流显著下降。在仿真中没有设置对漂移区的全覆盖栅，但可以合理地推断，当Al组分不断提高时，整个沟道中2DEG会被全部夹断，器件功能完全失效，此时的增强型便没有了意义。而当栅极对漂移区进行全覆盖后，漂移区又失去了耐压意义，这使得器件很难在功率系统中得到应用。
图3 含Al背势垒技术对AlGaN/GaN HEMT阈值电压的调制
为了解决这些问题，一个较为容易得到的思路即是将具有能带调制功能的结构局域化。2000年时X.Hu等研究人员提出了解决方案，他们制备出具有p-GaN帽层的增强型器件，使阈值电压达到2.5V。其原理是通过对帽层进行Mg元素的掺杂，和下方AlGaN层以及2DEG形成类似于p-i-n的半导体结，并耗尽沟道中的2DEG实现增强型性能。目前，p型帽层技术已经广泛应用在GaN功率开关的商业化产品中，如图4所示。但是，由于Mg金属在外延时的记忆效应，考虑到设备的维护，制备p型层成本极高，因此此技术的发展受到较大制约。同时，Mg掺杂需要高温退火激活才能有效形成p型杂质，这也增加了这类器件的工艺难度，限制了新结构的研发。
图4 EPC公司利用p-帽层技术制备的GaN增强型功率开关产品
同样地，利用GaN(Al/In)/AlGaN/GaN多异质结的相互作用也能实现增强型功能。具体来说，利用部分外延或选择性刻蚀技术在AlGaN/GaN异质结表面进行再外延，形成一层极化方向和异质结相反的AlGaN或InGaN等材料层，使得最表面的GaN(Al/In)/AlGaN异质结形成的极化电场方向和AlGaN/GaN异质结形成的极化电场方向相反。这样就能通过方向相反的两个极化电场相互抵消的方式，实现异质结局域净极化为零，进而实现增强型功能。其器件一般结构如图5所示。
图5 用InGaN极化抵消层实现增强型GaN HEMT结构
随着外延技术的发展，越来越多的外延层可以被成功制备。其中选择性外延技术为GaN增强型器件新结构的设计开拓了新方向。最近，一种具有局域含Al组分混合缓冲层结构，实现了GaN异质结器件的增强型性能。图6所示的是应用此技术实现的混合缓冲层GaN异质结MISFET式横向功率整流器（LCB-FER）仿真剖面示意图，可以看到含Al的缓冲层位于阳极MIS栅下，这样既可以通过栅电压对AlGaN/GaN(Al)异质结进行能带调制，又相当于在漂移区集成了一个异质结二极管，极大提高了反向阻断能力。
图6 用混合Buffer技术实现的高耐压LCB-FER仿真结构
图7(a)是仿真中LCB-FER的MISFET区域能带图。可以明显看到，随着局域低Al组分GaN层（LAC）的Al组分升高，MISFET下方沟道处导带不断提高。当MISFET金属功函数较高时，取LAC的Al组分为0.13则MISFET下沟道导带最低值即可提高至费米能级以上，使二极管具有整流能力。图7(b)是LCB-FER混合缓冲层（AlGaN-GaN）异质结二极管的能带图。可见混合缓冲层有效提高了阳极和MISFET结构下方的导带。
图7 LCB-FER能带结构。(a)阳极MISFET纵向能带分布；(b)混合缓冲层横向能带分布
图8是仿真中LCB-FER的I-V和BV曲线图。随着Al组分的升高，开启电压也在升高，而当Al组分为0.13时，器件和相同漂移区的MG-HAD相比在耐压方面具有相当大的优势，同时也保持了较为强劲的正向性能。
图8 LCB-FER的I-V曲线。(a)正向特性曲线；(b)反向特性曲线
综上所述，本设计实现了AlGaN-GaN异质结体二极管和AlGaN/GaN异质结横向二极管的集成。在实现MISFET区域增强型性能也即整流特性的同时，极大地提高了器件的反向阻断能力。而其中应用的混合缓冲层技术也为新型增强型GaN异质结器件的开发提供了崭新思路。