在耐压领域,普通AlGaN/GaN HEMT在承受耐压时,由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽,使得沟道横向电场主要集中在栅极漏端边缘,导致器件在较低的漏极电压下便被击穿。同时在器件工作在关态时,从源极注入的电子绕过栅下耗尽区,通过非故意掺杂的GaN缓冲层泄漏到漏极,这种现象被称为punch through,将会使器件提前击穿,无法充分发挥GaN材料的高耐压优势,从而限制AlGaN/GaN HEMT在高耐压领域的应用。同时,提高器件的击穿电压(BV)和降低器件的导通电阻(RON),存在一个折中的关系,如何在提升BV的同时保持一个尽可能低的RON,是AlGaN/GaN HEMT在耐压领域所面临的难题之一。为了不断提升GaN器件耐压及功率优值,近年来国际上不同研究机构分别通过采用超晶格缓冲层、AlGaN背势垒、缓冲层掺杂、场板结构、离子注入等技术,在耐压领域取得了明显的进展并逐步向商用器件过渡。
2000年,U.KMishra小组首次在AlGaN/GaN HEMT中引入与栅极相连的场板(Field Plate,FP)结构,通过调制沟道电场来提高击穿电压,栅漏间距(Lgd)为13µm,击穿电压为570V,并且对器件直流特性没有影响,其沟道平均击穿电场为0.43MV/cm,远低于理论的3MV/cm。2013年,三菱电机公司报道了采用AlGaN沟道和栅场板的GaN基HEMT,其10µm的Lgd的器件击穿电压达到1700V,平均击穿电场达到1.7MV/cm,为目前报道的最高值,其中AlGaN沟道由于比GaN具有更高的禁带宽度,也是提高耐压的手段之一。
除了场板外,通过减小缓冲层的漏电也是提高击穿电压的方法,主要的方法是在缓冲层掺入C原子,C原子在GaN缓冲层中作为深能级陷阱,能够通过俘获泄漏到缓冲层的电子达到减小缓冲层泄漏电流的效果。2010年,Bahat-Treidel等人采用缓冲层掺C技术在SiC衬底上制作了栅漏间距为7µm的击穿电压938V的AlGaN/GaN HEMT器件,其沟道平均击穿电场强度达到1.34MV/cm。
衬底转移技术也是提高器件耐压的方法之一,2010年,B.Lu等人将Si衬底上生长的AlGaN/GaN HEMT的Si衬底刻蚀掉,将器件转移到高热导率的绝缘衬底上,解决了击穿电压随着Lgd的增长饱和的问题。
同年,B.Lu小组提出在GaN HEMT中以肖特基漏极代替传统的欧姆接触来提高击穿电压,其原理为可能是肖特基漏极的形貌相较于欧姆接触的漏极更平整,消除了传统欧姆接触中金属毛刺所带来的电场尖峰。
2011年,A.Nakajima等人首次报道了带有极化超结(PSJ)的GaN HFET,该结构是在普通AlGaN/GaN HEMT的基础上,在栅极与漏极区域之间再生长一层GaN层,利用GaN/AlGaN/GaN结构中AlGaN上下两个界面天然存在同样大小的正负极化电荷,存在相匹配的二维电子气和二维空穴气,构成类似于Si基器件中的超结结构,当器件工作在截止状态,AlGaN上表面的二维空穴气会被抽走,同时耗尽下方沟道的二维电子气,使沟道源漏区域达到全耗尽的效果,以平整沟道电场,提高击穿电压。该小组制作的PSJ-GaN HFET中二维电子气和二维空穴气面密度分别为1.1×1013cm-2和9.7×1012cm-2,Lgd为10µm的器件击穿电压达到560V。2014年V.Unni报道了利用极化超结理论制作的GaN基肖特基二极管,在25µm的漂移区长度下,击穿电压达到2.4kV,平均击穿场强达到0.96MV/cm。
表1 GaN基HEMT功率器件研究进展

表1整理了最近几年GaN基耐压结构的研究进展,目前平均击穿电场仍远低于GaN材料的理论极限值,可见GaN基功率器件仍有很大发展空间。