GaN基功率開關器件能實現優異的電能轉換效率和工作頻率，得益于平面型AlGaN/GaN異質結構中高濃度、高遷移率的二維電子氣（2DEG）。圖1示出絕緣柵GaN基平面功率開關的核心器件增強型AlGaN/GaN MIS/MOS-HEMT的基本結構。依靠AlGaN與GaN材料極強的自發和壓電極化，AlGaN/GaN異質結界面能誘導出面密度高達1013cm-2的2DEG，其遷移率可達2000cm2·V-1·s-1以上，這種高輸運能力2dEG顯著降低了器件導通損耗，提高了GaN基器件的工作頻率，該優勢在GaN基高頻功率放大器應用上得到充分體現。

圖1 AlGaN/GaN MIS/MOS-HEMT器件結構

1. 增強型器件技術

增強型（常關型）是功率開關系統失效安全的核心要求。目前GaN基平面功率開關器件的增強型結構主要有4種：

（1）增強型Si-MOSFET與GaN-HEMT級聯結構該技術避開了GaN增強型難點，采用低壓Si-MOSFET實現增強型，利用耗盡型GaN-HEMT實現高耐壓，再通過鍵合技術級聯成增強型功率開關器件，如圖2a所示。但Si與GaN芯片間的鍵合封裝不可避免會引入寄生電感等，制約了GaN基功率開關器件的高頻應用（300kHz以上）。

（2）p-（Al）GaN蓋帽層結構 該技術利用pn結形成的空間電荷區擴展耗盡柵下的2DEG，如圖2b所示。該技術能將器件閾值推進到1.5V，但通常不會超過2V，主要局限是pn結的正向開啟導致柵極正向漏電增大。

（3）F離子注入增強型MIS-HEMT結構 該技術通過在AlGaN勢壘層中注入帶負電的F離子，以耗盡溝道中的2DEG，如圖2c所示。結合MIS-HEMT技術，該技術也能將閾值推進到3V以上。但F離子注入深度較難控制，在AlGaN/GaN異質結附近的拖尾可能會造成2DEG輸運性能降低。

（4）基于凹槽柵技術的MIS-HEMT或Hybrid MOS-HEMT結構 該技術主要通過減薄AlGaN勢壘層以削弱其極化強度，從而耗盡柵下的2DEG，如圖2d所示。由于柵槽刻蝕不可避免導致較大的柵肖特基接觸漏電，故通常采用MIS（MOS）-HEMT結構，該結構不僅能有效抑制柵極漏電，且能提高器件的閾值電壓。刻蝕損傷、可控性和殘留物的處理是該技術面臨的主要挑戰。

圖2 GaN基平面功率開關器件結構

2. 表面與界面工程

新型寬禁帶半導體GaN的性質：①GaN具有很強的自發和壓電極化，表面存在高密度極化電荷；②在GaN表面很難制備出高質量的本征絕緣層。目前介質層/（Al）GaN界面態密度最低只能達到1012cm-2，不及SiO2（熱氧化）/Si系統的1010~1011cm-2水平。懸掛鍵、表面氧化、氮空位、界面晶格無序是GaN基器件表界面態的幾種可能來源。

考慮GaN的高禁帶寬度，其界面態能級位置也較深，故具有很長的發射時間常數。這種深界面態對絕緣柵GaN基電子器件的影響主要體現在兩方面。一方面會導致柵極閾值漂移，在柵極開關轉換過程中，深能級界面態的緩慢放電會導致MIS-HEMT器件閾值不穩定性，見圖3a。類似現象在圖3b中HEMT器件（肖特基柵）不能觀察到。

圖3 不同UGS，max時的轉移特性曲線。

另一個影響是電流坍塌，GaN基平面型功率管在工作中通常會經歷關態和高漏極偏置工作狀態，在這些狀態下構成柵極漏電的電子和從源極注入的電子在柵（源）漏間高場作用下，可能會注入到柵介質與勢壘層間的界面態，柵漏間勢壘層的表面態，甚至是2DEG溝道下緩沖層的深能級中，見圖4。當器件回到開態、低漏極偏置工作狀態時，由于表/界面態和緩沖層中深能級放電時間常數較長，跟不上器件的高頻開關速度，2DEG—直處于被耗盡狀態，從而導致器件的電流輸出能力下降（電流崩塌）。對GaN基微波功率放大器，電流坍塌表現為DC-RF頻散，輸出功率嚴重壓縮；對功率開關器件，電流坍塌表現為動態導通電阻急劇增加，動態損耗變大，電能轉換效率下降。

圖4 AlGaN/GaN MIS-HEMT電流崩塌效應圖

為抑制由深界面態導致的閾值漂移，研發出原位低損傷GaN表面處理技術遠程等離子體預處理（RPP）。先采用NH3/Ar遠程等離子體去除（Al）GaN表面的自然氧化層，再進行N2等離子體處理補償近表面的N空位，再淀積一層ALD-Al2O3柵介質。X射線光電子能譜表征證實NH3/Ar/N2原位處理能有效去除GaN表面的Ga-O鍵，尤其是充分的氮化處理能防止氧化物柵介質淀積造成的表面再氧化。低損傷RPP工藝在ALD-Al2O3和GaN界面產生一層近似單晶的AlN插入層（約0.7nm），使Al2O3/（Al）GaN界面態密度降至2×1012cm-2（0.35eV＜Ec-ET＜0.85eV），有效抑制了由氧化界面態導致的閾值漂移。

在RPP對（Al）GaN表面處理的基礎上，采用PEALD技術，在AlGaN/GaN異質結構上低溫（~300℃）生長出4nm近似單晶的AlN薄膜。準靜態C-V測試證實采用該技術制備的髙晶體質量AlN能在其與（Al）GaN勢壘層界面誘導出高達3.2×1012cm-2的正極化電荷。該高密度固定正電荷可強烈補償捕獲電子后的表面態，從而抑制由表面態緩慢放電導致的電流坍塌。極性PEALD-AlN鈍化顯示出比傳統PECVD-SiN鈍化優秀的電流坍塌抑制能力。采用PEALD-AlN（接觸層）/PECVD-SiN（覆蓋保護層）復合鈍化結構，在Si基GaN研制出600V低動態導通電阻耗盡型和增強型絕緣柵GaN功率開關器件，在Si基GaN上實現了E/D（增強型/耗盡型）器件單片集成。

CMOS工藝中LPCVD高溫生長（＞600℃）的SiN介質致密性好，擊穿電壓高，熱穩定性良好，無等離子體表面損傷，在GaN基功率開關器件表面鈍顯示出良好潛力。采用LPCVD-SiN鈍化在GaN基HEMT器件上有效提升了功率輸出能力，同時推測該介質與（Al）GaN間的氧化層（約2nm）可能是器件仍存在電流崩塌的原因。將原位等離子體預處理引入LPCVD系統以有效去除該界面氧化層，進一步改善了LPCVD-SiN介質與（Al）GaN界面特性，抑制了絕緣柵GaN基功率開關器件的閾值漂移和電流坍塌。

3. 高絕緣柵介質

絕緣柵GaN基功率開關器件可靠性核心是高絕緣柵介質。良好的經時擊穿（TDDB）特性是決定器件長期工作可靠性的關鍵因素，而介質中的正固定電荷直接影響增強型閾值的實現。

利用原子層沉積（ALD）技術制備的Al2O3是目前GaN基MIS-HEMTS中廣泛采用的柵介質。但由于ALD裝置中TMA（Al源）和H2O源的不充分反應，采用熱模式ALD生長的Al2O3介質中含有一定量的Al-Al和Al-O-H等缺陷，它們被認為是柵氧介質中正固定電荷的來源，正電荷的存在會導致閾值電壓的負向移動，阻礙了增強型的形成。近期研宄發現，采用活性較強的O3取代H2O作為ALD中的O源，不僅能使TMA被充分反應，而且能避免采用等離子O2源（等離子模式生長）所引入的表面轟擊損傷等問題。實驗發現，采用O3源生長的ALD-Al2O3擊穿電場能達到8.5MV/cm，也具有良好的TDDB特性。最重要的是，O3有效抑制了柵介質中的正固定電荷，密度能控制在9×1011cm-2。在此基礎上，通過介質后退火方法進一步降低了Al2O3/GaN界面正電荷，將絕緣柵GaN基MOS-HEMT閾值提髙到5.2V。

采用LPCVD方法高溫制備的SiN介質具有良好的抗擊穿和TDDB特性。LPCVD-SiN與GaN間的導帶帶階為2.75eV，且自身的擊穿場強達到13MV/cm，高于PECVD-SiN柵介質，故LPCVD-SiN柵介質是制備絕緣柵GaN基功率開關器件的理想選擇，可極大擴展柵極的安全闞值范圍。

圖5中，采用韋伯統計失效分析方法，LPCVD-SiN介質的韋伯斜率β=2.4，說明其TDDB特征時間tBD呈很好的一致性。以10年壽命為計量標準，63%失效率對應可承受柵壓為9.8V。LPCVD-SiN介質在100℃和200℃高溫下可靠性良好。為繼續提升GaN基增強型MIS-HEMT中LPCVD-SiN柵介質的可靠性，在LPCVD-SiN與凹槽柵間插入一層低溫生長的PECVD-SiN（約2nm），以有效保護柵區被刻蝕后的（Al）GaN表面（LPCVD的高溫生長可能導致刻蝕GaN表面退化），從而制備出了閾值2.37V、擊穿電壓650V的高性能MIS-HEMT。其中該復合柵介質在柵壓11V時TDDB=壽命超過10年，顯示了LPCVD-SiN柵介質在絕緣柵GaN基功率開關器件中的良好可靠性。

圖5 TDDB特征時間和壽命分析

同時開發了感應耦合等離子體CVD、原位金屬有機化合物CVD等SiN柵介質生長方法，這些介質的TDDB特性還需繼續驗證。