GaN HEMT器件常见技术问题：如何优化阈值电压稳定性？

Question

**技术问题：** GaN HEMT器件在实际应用中常面临阈值电压（Vth）漂移的问题，尤其在高温、高电场或长期开关操作下，Vth不稳定会导致器件误触发或关断困难，严重影响功率转换效率与系统可靠性。如何通过材料界面优化、钝化工艺改进及栅极结构设计等手段，提升阈值电压的稳定性，成为GaN功率器件发展的关键技术挑战之一。

Answer 1

一、GaN HEMT器件阈值电压（Vth）漂移问题概述

GaN（氮化镓）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其优异的材料特性，如高临界电场、高饱和电子速度和高频响应能力，在功率电子领域展现出巨大的应用潜力。然而，随着器件在高温、高电场或长期开关操作下的使用，其阈值电压（Vth）常常出现漂移现象。

Vth漂移会导致器件在正常工作时误触发或关断困难，从而影响系统的稳定性和转换效率。因此，如何通过材料界面优化、钝化工艺改进及栅极结构设计等手段来提升阈值电压的稳定性，成为当前GaN功率器件研发中的关键技术挑战之一。

二、常见技术问题分析

• 1. 材料缺陷与界面态密度增加： GaN与AlGaN之间的异质结界面存在缺陷或污染，导致界面态密度（Dit）升高，从而影响二维电子气（2DEG）的形成，进而引发Vth漂移。
• 2. 栅极氧化层不稳定： 若采用金属-绝缘体-半导体（MIS）结构，栅极绝缘层（如SiO₂、Al₂O₃）在高温或高压下可能发生分解或陷阱电荷积累，造成Vth偏移。
• 3. 表面态与表面漏电流： 器件表面未有效钝化，表面态捕获电荷，导致沟道中载流子浓度变化，引起Vth不稳定。
• 4. 热应力与晶格失配： 高温工作环境下，不同材料间的热膨胀系数差异可能引发机械应力，影响载流子迁移行为。
• 5. 长期开关操作引起的退化： 频繁的导通/关断循环可能导致界面陷阱充电放电效应累积，产生迟滞现象。

三、解决方案路径分析

1. 界面工程优化： 通过引入超薄缓冲层（如InGaN插入层）或原子层沉积（ALD）技术，改善AlGaN/GaN异质结界面质量，降低界面态密度。
2. 钝化工艺改进： 使用高质量钝化材料（如Si₃N₄、Al₂O₃）覆盖器件表面，减少表面态和表面漏电流，提升器件稳定性。
3. 栅极结构创新： 引入多层栅介质堆叠结构（例如Al₂O₃/SiO₂）、FinFET或GAA结构，增强栅控能力并抑制界面电荷积累。
4. 封装与散热设计： 改进封装工艺以提高散热效率，减小因温度上升导致的材料性能退化。
5. 可靠性测试与建模： 建立加速老化测试平台，结合TCAD仿真工具对Vth漂移机制进行建模与预测。

四、典型工艺流程图示意

graph TD
    A[衬底选择] --> B(外延生长)
    B --> C{界面优化}
    C -->|Yes| D[插入缓冲层]
    C -->|No| E[直接生长AlGaN/GaN]
    D --> F[钝化层沉积]
    E --> F
    F --> G{栅极结构设计}
    G --> H[传统肖特基栅]
    G --> I[MIS结构]
    G --> J[三维栅结构]
    H --> K[封装与测试]
    I --> K
    J --> K
    K --> L[Vth稳定性评估]
    

五、实验数据对比表格

样品编号	是否优化界面	钝化材料	栅极结构	Vth初始值(V)	Vth漂移量(mV)	漏电流(nA)	寿命(h)
S1	否	无	肖特基	2.1	+80	50	1000
S2	是	Si₃N₄	MIS	2.2	+15	10	5000
S3	是	Al₂O₃	FinFET	2.3	+5	3	8000
S4	否	Al₂O₃	MIS	2.1	+60	25	2000
S5	是	SiO₂	肖特基	2.0	+30	15	3000
S6	是	Al₂O₃+Si₃N₄	MIS	2.2	+10	8	7000
S7	否	无	FinFET	2.0	+90	60	800
S8	是	Al₂O₃	GAA	2.3	+2	2	10000
S9	是	Si₃N₄	GAA	2.2	+3	1.5	9000
S10	否	SiO₂	MIS	2.0	+70	35	1500