常规的AlGa N/Ga N HEMT器件由于极化效应,天然具有2DEG导电沟道,阈值电压为负值,因此其又被称为耗尽型HEMT。耗尽型HEMT具有栅极驱动电路复杂、功耗大、系统安全性低等不足之处。因此,出于系统复杂度和安全性角度考虑,需要研制出沟道天然被关断、阈值电压为正值的常关型HEMT,又称增强型HEMT。目前实现增强型HEMT的方法主要包括Cascode级联技术、p型栅技术、氟离子注入技术、薄势垒技术和凹槽栅技术。
1.Cascode级联技术
为了实现常关型HEMT器件,最直接的方法是采用Cascode级联技术。该技术是将高压耗尽型GaN HEMT器件和低压增强型Si基MOSFET级联在一起,利用GaN器件的高压特性和Si器件的常关特性,形成一种组合的高压增强型器件。如图4.1.5所示,将GaN HEMT的栅极与Si MOSFET的源极连接在一起构成组合器件的源极,将MOSFET的栅极作为组合器件的栅极,将HEMT器件的漏极作为组合器件的漏极,重新构造成一个带有栅、源、漏三个电极的器件。当MOSFET关断时,HEMT器件的电流通路也随即被关断,组合器件的漏电极和源电极之间没有电流流过,这时主要由Ga N HEMT器件来承受高压;当MOSFET开启时,两个器件都导通,组合器件也处于导通状态。
虽然这种方法能实现增强型器件,但是在开态时,组合器件的导通电阻是两个器件的导通电阻之和,由于Si MOSFET的导通电阻远大于HEMT的导通电阻,总的导通电阻主要被MOSFET限制,器件的开关速度也受限于Si器件的性能。因此,这种技术无法体现出GaN HEMT器件的优越性。
图4.1.5 Cascode级联技术实现增强型Ga N器件示意图[11]
2.p型栅技术
p型栅技术是通过在AlGa N势垒层和栅电极之间插入一层p-Ga N层实现增强型HEMT的技术。由于p-GaN层的功函数较大,当其覆盖在AlGa N/GaN HEMT结构上时,会抬高界面处AlGaN的导带至费米能级以上,导致三角势阱减小或者消失,耗尽2DEG,实现增强型器件,如图4.1.6所示。在栅极施加正向偏压,压低界面处的导带,达到一定阈值电压时,导带回到费米能级以下,2DEG沟道重新形成。
图4.1.6 p型栅HEMT器件结构图和对应的能带示意图[11]
p型栅技术需要将栅极区域以外的p-Ga N层刻蚀掉,可能会造成刻蚀损伤带来对器件可靠性不利的表面态;另外,由于功函数的限制,p型栅HEMT的阈值电压通常小于3V,栅压摆幅也较小。(www.xing528.com)
3.氟离子注入技术
氟离子注入技术是通过向栅极下方的AlGa N层注入带负电的氟离子,从而抬高AlGaN/Ga N界面处导带,耗尽2DEG,实现增强型HEMT器件的技术。图4.1.7所示的是氟离子注入前后异质结的能带对比示意,氟离子注入不仅抬高了界面处的导带,还增加了AlGaN层的势垒高度,对HEMT的栅漏电起到抑制作用,但可能会造成晶格损伤。若造成了晶格损伤,则可通过快速热退火技术来修复。
图4.1.7 氟离子注入型HEMT器件结构图及对应的能带示意图[11]
4.薄势垒技术
HEMT中的AlGa N势垒层的厚度决定其极化强度和由此感生的2DEG浓度,当Al GaN层厚度小于某一临界厚度时,将不能产生二维电子气。利用这一原理,可以采用薄外延AlGaN势垒来实现增强型器件。此种方法不需要刻蚀、注入等工艺过程,具有表面和晶格损伤小,栅极漏电流小等优点。但是,由于整个沟道都被耗尽,会导致串联电阻大、导通电阻大、饱和电流低等问题。
5.凹槽栅技术
在薄势垒技术基础上,如果只刻蚀掉栅极下方区域的AlGaN层,就可以只耗尽栅极下方的2DEG,这样既能实现具有正阈值电压的增强型器件,又可以避免薄势垒技术中因全沟道被耗尽带来的问题,此种技术就是凹槽栅技术,如图4.1.8所示。
由图4.1.8所示可知,在栅电极和半导体之间还有一层介质层,这层介质层具有减小器件在关态下的栅极泄漏电流和防止栅极正电压过大造成的肖特基结正向导通现象的优点,这种带有介质层的HEMT又被称为MIS-HEMT。
图4.1.8 凹槽栅型HEMT器件结构示意[11]
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