氮化镓功率器件 材料、应用及可靠性

全球走向碳中和，能带来节能效果的第三代半导体氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)无疑是未来的希望。第三代半导体能源转换效率能达到95%以上，在阳光能源、数据中心、5G、汽车电子等市场的应用值得期待，引起了学术界和产业界的高度重视，我国也将第三代半导体写入了“十四五”规划当中，本书的特点是每一章都由全球不同的从事GaN研究机构的专家撰写，引用了大量的代表*新成果的文献，因而其翻译和出版对于国内GaN方面的研究会起到积极的作用。本书适合于从事GaN技术研究的科研人员、企业研发人员，以及工程师阅读，也可作为微电子及相关专业的高年级本科生、研究生和教师的参考用书。

本书重点讨论了与氮化镓（GaN）器件相关的内容，共分15章，每一章都围绕不同的主题进行论述，涵盖GaN材料、与CMOS工艺兼容的GaN工艺、不同的GaN器件设计、GaN器件的建模、GaN器件的可靠性表征以及GaN器件的应用。本书的特点是每一章都由全球不同的从事GaN研究机构的专家撰写，引用了大量的代表新成果的文献，适合于从事GaN技术研究的科研人员、企业研发人员，以及工程师阅读，也可作为微电子及相关专业的高年级本科生、研究生和教师的参考用书。

原书前言
第1章GaN的特性及优点1
1.1总体背景1
1.2GaN材料2
1.3极化效应5
1.4GaN基FET8
1.5天然超级结(NSJ)结构10
1.6导通电阻和击穿电压13
1.7低压器件14
1.8高压器件18
1.9GaN垂直功率器件的未来研究21
参考文献22
第2章衬底和材料24
2.1衬底概述25
2.2金属有机化学气相沉积26
2.2.1半绝缘(S.I.)的(Al,Ga)N层的制造28
2.2.2n型和p型掺杂29
2.2.3AlGaN/GaN异质结构30
2.3陷阱和色散31
2.4横向功率开关器件外延结构的制备31
2.4.1硅衬底上电流阻断层的沉积32
2.4.2碳化硅衬底上电流阻断层的沉积33
2.4.3蓝宝石衬底上电流阻断层的沉积33
2.4.4栅控层生长35
2.5垂直器件35
2.6展望39
2.6.1InAlN和AlInGaN垫座层39
2.6.2基于非c面GaN的器件40
参考文献41
第3章Si上GaN CMOS兼容工艺47
3.1Si上GaN外延47
3.2Si上GaN无Au工艺49
3.3无Au欧姆接触54
3.3.1AlGaN势垒层凹槽55
3.3.2欧姆合金优化55
3.3.3Ti/Al比56
3.3.4欧姆金属堆叠底部的Si层57
3.4Ga污染问题58
3.5结论61
参考文献61
第4章横向GaN器件的功率应用（从kHz到GHz）62
4.1简介62
4.2AlGaN/GaN HEMT的历史62
4.3色散的处理64
4.4用于毫米波的GaN66
4.5N极性GaN发展的历史回顾69
4.6电力电子中GaN的应用77
4.7结论83
参考文献83
第5章垂直GaN技术——材料、器件和应用91
5.1引言91
5.2器件拓扑93
5.2.1垂直器件与横向器件的比较93
5.3CAVET的演变95
5.4CAVET设计97
5.4.1器件成功运行所需的关键部分的讨论97
5.5CAVET的关键组成部分99
5.5.1电流阻断层103
5.5.2性能和成本105
5.6体GaN衬底的作用106
5.7RF应用的CAVET107
5.8结论107
参考文献108
第6章GaN基纳米线晶体管110
6.1简介110
6.1.1自下而上的纳米线器件：GaN纳米线场效应晶体管111
6.1.2自上而下的纳米线器件113
6.2三栅GaN功率MISFET114
6.2.1三栅GaN功率晶体管的其他考虑116
6.3用于RF应用的纳米线：增加gm的线性度120
6.4纳米结构的GaN肖特基势垒二极管122
6.4.1GaN SBD的纳米结构阳极123
6.5结论126
参考文献127
第7章深能级表征：电学和光学方法130
7.1简介130
7.2DLTS和DLOS基础131
7.2.1C-DLTS132
7.2.2C-DLOS133
7.2.3C-DLTS和C-DLOS对HEMT的适用性134
7.2.4I-DLTS和I-DLOS135
7.3DLTS和DLOS在GaN HEMT中的应用137
7.3.1利用填充脉冲对陷阱进行空间定位137
7.3.2利用测量偏差对陷阱进行空间定位140
7.3.3测量空间局限性的陷阱的其他方法142
7.4结论143
参考文献144
第8章GaN HEMT的建模：从器件级仿真到虚拟原型146
8.1简介146
8.2器件级仿真148
8.2.1脉冲模式行为149
8.3非优化的缓冲技术150
8.4优化的缓冲层工艺154
8.4.1AC电容155
8.4.2关断态击穿157
8.5Spice模型开发和校准159
8.6应用板的特性和仿真161
8.6.1正常关断pGaN晶体管163
8.6.2正常开启HEMT：共源共栅设计165
8.7结论170
参考文献171
第9章GaN基HEMT中限制性能的陷阱：从固有缺陷到常见杂质173
9.1表面相关的俘获177
9.2Fe掺杂的影响179
9.2.1深能级E2的特性及Fe掺杂的影响180
9.2.2E2陷阱的起源182
9.2.3电应力对俘获机制的影响183
9.3C掺杂的影响185
9.4金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMT)的俘获机制193
9.4.1正栅极偏压引起的俘获193
9.4.2快俘获和慢俘获机理分析195
9.4.3提高俘获效应的材料和沉积技术196
参考文献199
第10章硅上共源共栅GaNHEMT：结构、性能、制造和可靠性209
10.1共源共栅GaN HEMT的动机和结构209
10.2共源共栅GaN HEMT的功能和优点210
10.3共源共栅GaN HEMT的关键应用和性能优势211
10.3.1无二极管半桥结构211
10.3.2栅极驱动的考虑212
10.4市场上的产品213
10.5应用和主要性能优势214
10.5.1图腾柱功率因数校正（PFC）电路214
10.5.2PV逆变器215
10.5.3带GaN AC-DC PFC和全桥谐振开关LLC DC-DC变换器的一体式电源216
10.6共源共栅GaN HEMT的认证和可靠性217
10.6.1JEDEC认证218
10.6.2扩展的认证/可靠性测试218
10.6.3工作和本征寿命测试219
10.7卓越制造221
10.8单片上的E模式GaN222
10.9未来展望223
10.9.1下一代产品223
10.9.2知识产权考虑223
10.9.3小结223
参考文献224
第11章栅注入晶体管：E模式工作和电导率调制225
11.1GIT的工作原理225
11.2GIT的DC和开关性能228
11.3关于GIT可靠性的研究231
11.4GIT在实际开关系统中的应用234
11.5面向未来电力电子的先进GIT技术237
11.6结论240
参考文献240
第12章氟注入E模式晶体管242
12.1简介：III-氮化物异质结构中的氟：Vth鲁棒性控制242
12.2氟注入的物理机制243
12.2.1F等离子体离子注入的原子模型243
12.2.2AlGaN/GaN异质结构中F离子的稳定性245
12.2.3F离子周围的电子结合能247
12.3F离子注入E模式GaNMIS—HEMT249
12.3.1GaN MIS—HEMT249
12.3.2带有部分凹槽的F离子注入势垒层的GaNMIS—HEMT252
12.3.3GaN智能功率芯片255
12.4结论259
参考文献260
第13章GaN高压功率晶体管的漂移效应262
13.1简介262
13.2漂移效应及其物理机制262
13.2.1概述262
13

近年来，氮化镓（GaN）已经成为制造功率半导体器件的优选材料。高临界电场（33MV/cm）的特性使得利用GaN可以制造出击穿电压高于1kV的晶体管。此外，二维电子气（2DEG）的高迁移率使得GaN的导通电阻可以达到非常低的值（对于30A的器件，小于50mΩ）。后，低导通电阻与栅极电荷的乘积（Ron×Qg）可以显著降低开关损耗。已经证明基于GaN的变换器效率可以超过99%，并且市场上已经出现了一些GaN产品。本书对GaN基器件的特性和问题，包括面向应用的结果给出了一个详尽的概述。为此目的，我们采用了自下而上的方法，包括与材料方面相关的内容介绍，对主要器件特性和问题的全面描述，以及对系统级方面的讨论。在第1章中，从对GaN和相关材料的基本特性的一般性介绍开始，给出了初步的设计考虑。介绍了不同的器件结构，包括标准FET和天然超结器件，并与标准硅器件进行了比较。第2章讨论了与材料和衬底相关的问题。概述了可用于GaN生长的各种衬底，并详细介绍了金属有机化学气相沉积的原理。接着描述了半绝缘AlGaN层的制备、掺杂的相关问题，以及用于横向和垂直器件的异质结构的制备。第3章介绍了一种Si上GaN的CMOS兼容工艺。概述了Si上GaN外延，并详细介绍了Si上GaN无Au工艺。详细介绍了AlGaN势垒层凹槽、欧姆合金优化和镓污染问题。讨论中采用了大量的实验数据。在第4章中，UKMishra和MGuidry讨论了材料以及各种器件的设计，这些对于在功率应用中的横向GaN器件来说非常重要。在介绍了AlGaN/GaN HEMT的发展历程之后，讲述了N极性器件和Ga极性器件的工作原理。此外，还讨论了GaN横向器件在功率变换器中应用的主要问题以及现有的技术解决方案。第5章专门介绍了垂直功率器件，从材料到应用。在介绍了其潜在的应用后，从性能和结构上对垂直器件和横向器件进行了比较。本章以电流孔径垂直结构晶体管（CAVET）为代表，讨论了各种概念。描述了设计考虑以及和结构相关的各种问题，以提供一个关于该问题的综合概述。第6章概述了GaN基纳米线晶体管的工作原理。通过将文献中的实验数据与结果进行比较，给出一个对GaN基纳米线晶体管完整的概述。本章部分回顾了自下而上的纳米线；而第二部分则介绍了自上而下的纳米线在电力电子器件中的应用；后，讨论了纳米线在RF领域的应用。第7章讨论了用于表征GaN中深能级的电学和光学的方法。在简要介绍了DLTS和DLOS的基本原理之后，介绍了DLTS和DLOS的相关理论。然后，对光谱技术在GaN HEMT分析中的应用进行了综述。第8章介绍了一种功率GaN HEMT建模方法，旨在通过器件、封装和应用的并行仿真实现全系统优化。对在实际开关应用中常开的绝缘栅GaN HEMT和常关的 p-GaN器件的仿真结果与实验结果进行了比较。第9章介绍了限制GaN基晶体管性能的缺陷特性。本章部分根据80多篇讨论缺陷的论文，总结了GaN中常见缺陷的特性；本章的第二部分介绍了近期实验中常见的本征缺陷（空位、表面态等）和杂质（如Fe和C）对GaN HEMT动态性能影响的实验结果。第10章讨论了Si上共源共栅Ga NHEMT。在讨论了共源共栅GaN HEMT的工作原理和结构之后，详细介绍了共源共栅GaN HEMT的关键应用和性能优势。同时对商用的产品及其相关优点进行了综述。后，对共源共栅GaN HEMT的性能和可靠性进行了评述。在第11章介绍了栅极注入晶体管的主要结构和问题，以及提高这些器件性能的各种技术。总结了包括电流崩塌在内的可靠性研究现状，并介绍了GIT在实际高效率开关电源电路中的应用结果。此外，本章还介绍了进一步提高性能的一些新兴技术。第12章介绍了常关工作的进一步策略。介绍了氟离子注入增强型晶体管，全面讨论了氟注入的物理机制，包括原子仿真和实验研究。介绍了氟注入技术的进一步发展及其与其他先进技术如凹槽、AlN钝化等的结合。后，总结了氟注入技术的鲁棒性。在第13章中，JWuerfl介绍了主要的限制GaN基功率晶体管性能的漂移效应。在介绍漂移效应的物理机制之后，描述了GaN功率开关晶体管中重要的漂移现象及其对器件性能的影响。此外，本章还讨论了已被验证的减少器件漂移效应的技术概念。第14章描述了650V GaN功率器件的可靠性。广泛研究了栅极欧姆接触的可靠性、栅极介质可靠性和缓冲层堆叠可靠性。强调了基于大面积的功率晶体管（100 mm栅极宽度）统计数据而不是基于小的测试结构进行可靠性研究的必要性。同时讨论了加速模型和统计分布模型（Weibull）。后，第15章回顾了与GaN基晶体管开关相关的系统级问题。描述了与共源共栅GaN HEMT相关的具体问题。对基于降压变换器的共源共栅GaN在硬开关和软开关两种模式下的性能进行了评估，说明了共源共栅GaN器件在高频下进行软开关的必要性。此外，本章还介绍了GaN的一系列新兴应用。读者将会对GaN电子学令人难以置信的性能和潜力留下深刻印象，正如UKMishra和MGuidry在第4章中总结的那样，GaN基电子产品的市场规模有望在2022年超过10亿美元，并在那之后持续增长。与此同时，光子市场的规模目前已超过100亿美元，且呈急剧增长态势。从学术和研究的角度来看，目前在氮化物中探索出的有限的科学知识可以提供这样一个值得关注的市场