高電子遷移率晶體管的研究進展

摘" 要：高電子遷移率晶體管（HEMT）作為半導體功率器件，能夠應用在高溫、高壓和高頻等環境。到目前為止，第二代半導體材料GaAs、InP基HEMTs體系的發展已相當成熟，隨著第三代半導體GaN基HEMT體系的數據及理論不斷完善，其在相關領域的應用正逐漸占據市場的主導地位，而隨著對超寬禁帶半導體Ga2O3理論的完善及無銥工藝的出現，Ga2O3基HEMT器件在電力電子、射頻微波等領域展現出巨大的發展潛力。

關鍵詞：高電子遷移率晶體管；氮化鎵；氧化鎵；HEMT；研究進展

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0099-06

Abstract： As semiconductor power devices， high electron mobility transistors （HEMT） can be used in high-temperature， high-pressure， and high-frequency environments. So far， HEMT system based on the second generation semiconductor materials， such as GaAs and InP， has been quite mature. With the continuous improvement of the data and theory of the third-generation semiconductor GaN based HEMT system， GaN based HEMTs show a dominant role in the application market. Furthermore， the progress of the theory of the ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 and the emergence of iridium-free processing unfold the great potential of Ga2O3 based HEMT in the fields of power electronics， RF microwave， etc.

Keywords： high electron mobility transistor; gallium nitride; gallium oxide; HEMT; research progress

高電子遷移率晶體管（HEMT），也稱為異質結FET（HFET）或調制摻雜FET（MODFET），是一種場效應晶體管，其結合了具有不同帶隙的2種材料之間的結（即異質結）作為溝道而不是摻雜區域（通常是MOSFET的情況）。一種常用的材料組合是GaAs和AlGaAs，盡管根據器件的應用而存在很大差異。銦組分更高的器件一般表現出較好的高頻性能，而近年來，GaN HEMT因其高功率性能而備受關注。與其他FET器件一樣，HEMT在集成電路中可用作數字開關，相比普通晶體管其能在更高的頻率下工作，最高可達毫米波頻率，其用途可用作手機、衛星電視接收器、電壓轉換器和雷達設備等。

1" HEMT分類

從本質上來說，HEMT器件是一種場效應器件，漏源極間流過的電流受到柵極的調制，柵極與半導體形成肖特基接觸。根據半導體物理特性，通過異質結接觸的2種半導體由于禁帶寬度的不同，電子會從寬禁帶半導體流向禁帶較窄的半導體一方，從而在半導體界面形成量子阱。當寬禁帶半導體的摻雜濃度較高，異質結間的導帶差較大時，會形成相當高度的勢壘，限制量子阱中的自由電子在垂直異質結接觸面方向上的移動，故稱這個量子阱為二維電子氣（2DEG）。2DEG就是HEMT器件中的溝道，由于溝道所在的窄禁帶半導體通常是不摻雜的，溝道中的自由移動電子遠離了摻雜的寬禁帶半導體中的雜質的庫倫散射，故載流子能獲得很高的電子遷移率。表1給出了第二代到第四代半導體材料的參數，可以看到以其為基礎制成的HEMT器件有著各自的優勢。

1）以第二代半導體砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表，包括三元化合物半導體如AlGaAs等的高電子遷移率晶體管，有著相當高的電子遷移率。

GaAs/InP體系下的HEMT電子器件主要通過調制摻雜異質結來控制2DEG的濃度。其中，在速度能力方面最好的是InP HEMT。InP HEMT優異的速度性能背后的主要原因是其獨特的高電子遷移率、量子阱中較低的電子有效質量、通道中的高2DEG密度和高跨導[1-2]。雖然InP HEMT在速度方面的優勢較為明顯，但InP襯底的尺寸較小及制備困難，難以批量生產，與InP HEMT相比，GaAs HEMT直徑可以達到最大6英寸（1英寸等于2.54 cm），其制造技術更加成熟和精細，制造成本更低使得其在半導體市場上受到認可。

此外，與InP HEMTs一樣，GaAs HEMTs具有低噪聲、高增益、高效率、低直流功耗、低電壓工作和高頻率工作等優點[3-15]。

早期的HEMT是由n-AlGaAs/GaAs異質結構成。隨著技術的發展，研究人員通過增加二維電子氣密度和電子速率來提高器件性能，GaAs HEMT經歷了從n-AlGaAS/InGaAs和n-InGaP/InGaAs贗配HEMT（PHEMT）結構到AllnAs/InGaAs漸變HEMT（MHEMT）結構。

2）以第三代半導體氮化鎵（GaN）為代表，包括三元化合物半導體，如AlGaN等的高電子遷移率晶體管因其自身材料具有較高的禁帶寬度、高擊穿電場等優勢逐漸受到重視。另外，由氮化物晶體材料自身的電負性或在外力的作用下，正電荷和負電荷的中心發生分離，從而在極軸兩端產生電勢差，形成所謂的自發極化和壓電極化，由此產生的極化效應的存在有助于產生高濃度、高密度的二維電子氣。

AlGaN/GaN HEMT即使不摻雜，異質結中也會產生出大量的二維電子氣，其面密度可以高達1013cm-2。這意味著，HEMT中的高密度二維電子氣不一定需要通過摻雜來引入，而是可以直接從異質結的極化效應中產生出來，這時的二維電子氣面密度將主要決定于極化效應的強度。

由于極化效應的關系，通常這種HEMT是常開型的。而要得到常關型HEMT，通常是比較困難的，很值得研究和探討。

3）以超寬帶隙（4.8 eV）半導體氧化鎵（Ga2O3）為代表的高電子遷移率晶體管，由于Ga2O3優異的材料特性，如易控的摻雜及容易制造大尺寸廉價襯底，因此人們對其越來越感興趣。從晶體生長的角度來看，Ga2O3作為唯一一個可以通過用熔體法生長的寬禁帶半導體材料，生長的晶體的質量不僅比CVD（化學氣相沉積）法制作的要好，成本還遠低于同尺寸的SiC和GaN等材料。2017年，NCT開發了世界上第一個由氧化鎵外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統硅MOSFET的1/1 000。

就目前而言，Ga2O3基二極管已逐步邁入量產階段，Ga2O3基MOS器件也逐漸在高壓高功率領域嶄露頭角，而Ga2O3基HEMT盡管有著理論支撐，但仍停留在研究階段。

2" 研究進展

2.1" InP/GaAs HEMT研究進展

InP/GaAs HEMT的主要缺點之一是擊穿性能差。傳統對稱型InP/GaAs HEMTs的BVON和BVOFF很低。

如何在不降低gm、IDS、fT和fmax等MHEMT關鍵性能參數的情況下提高擊穿電壓是一個挑戰。而采用非對稱柵極凹槽結構可以在不降低直流和射頻性能的情況下在一定程度上提高擊穿電壓。與其他晶體管一樣，提高GaAs MHEMT速度的最有效方法就是減小柵長。

柵長在20～50 nm之間的晶體管最適合下一代亞毫米波、太赫茲頻率應用。

為了在減小柵長的同時有效地減小短溝道效應，溝道長寬比應保持在1以上。對于這種柵極到溝道的距離和溝道厚度應該隨著柵極長度的減小而減小。

許多研究也已證明，結合使用嵌入式金屬柵極技術和掩埋鉑柵極技術可以在一定程度上控制柵長小于50 nm的晶體管的短通道效應。

InGaAs溝道中，InAs在濃度、帽層設計和源/漏/柵的接觸設計在很大程度上影響著晶體管的開態和關態性能。雖然減少使用傳統的晶體管設計的柵極長度提高了晶體管的速度，但其也會導致擊穿電壓的降低。而使用寬禁帶半導體材料雖然可以改善擊穿電壓，但其對晶體管的速度、跨導和漏電流產生不利影響。通過結合復合溝道結構和非對稱凹槽柵技術，可以在不影響MHEMT速度、跨導和漏極電流的情況下提高擊穿電壓[16-22]。

2018年，Ajayan等[23]使用雙δ摻雜層及重摻雜的S/D區域并將高遷移率的InAs插入InGaAs溝道，如圖1所示，柵長20 nm的HEMT的峰值gm、IDS分別達到了3 470 ms/mm和1 300 mA/mm，fT和fmax分別為749 GHz和1 460 GHz，其開態和關態擊穿電壓分別為2.2、4.5 V。

由于MHEMT技術能將InP的卓越的速率及GaAs的低成本制造技術等優勢結合起來，因此其在半導體市場中仍有相當大的發展空間。

2.2" AlGaN/GaN HEMT研究進展

GaN具有高飽和速度和高臨界電場等物理特性，使其成為制造高擊穿電壓、低比RON和高頻開關操作的電力電子器件的良好選擇[24]。

一般情況下，在AlGaN/GaN異質結中，由于在氮化物材料原子間的電負性差異或外力的作用下，使得正負電荷中心發生分離，從而在極軸兩端產生電勢差，形成自發極化和壓電極化，而極化效應有助于產生高濃度、高密度的二維電子氣。因此，制備出的GaN基器件能夠產生更大的溝道電流，具有相當良好的電學性能。

近年來，GaN HEMT雖然有了巨大的發展，在半導體市場上占據的份額不斷提高，但人們仍在努力解決一些重大的物理/技術挑戰，其中包括開發設計常關型GaN HEMT技術，以及GaN-on-Si工藝的改良等。

由于2DEG的存在，GaN HEMT本質上是一個常開型的器件。但常關型器件更適合電力電子領域的應用，研究人員因此提出了許多方法來將GaN HEMT從常開型器件轉換到常關型器件。

其中較為常見的是凹槽柵結構和MIS-HEMT技術及氟離子注入技術，針對柵下的AlGaN 勢壘層進行了刻蝕或離子注入來實現正向的閾值電壓。上述方法在對刻蝕工藝的均勻性及刻蝕深度的控制有著相當高的要求，并且在工藝的實現過程中都會對柵下溝道產生一定損傷。

2020年，蘇帥[25]成功開發了一種新型的熱分解與干法刻蝕相結合的自終止柵極凹槽技術來實現低界面態密度和整個晶圓的高均勻性。與傳統的干法刻蝕方法相比，該技術實現了精確可控的柵極凹槽制備，且凹槽深度均勻性大幅提高，同時柵極界面態密度減少了1～2個數量級，達到1011 eV-1cm-2。此外，該技術幾乎完全消除了干法刻蝕引起的表面損傷，有效降低了表面氧污染。

2022年，He等[26]通過新型的選擇性區域再生長技術，結合了高質量原位SiNx鈍化及原子層沉積工藝。該技術有效抑制了二次外延和原位SiNx工藝的技術缺陷，實現了2.5 V的高閾值電壓及5.5 Ω·mm的超低的導通電阻，制備了一系列高性能的免刻蝕常關型GaN凹柵MIS-HEMT器件。

此外，還可以通過將氟離子注入柵下勢壘層以此來耗盡2DEG使得器件獲得正的閾值電壓。但實際上，目前商用的常關型GaN HEMT主要集中在P-GaN型柵結構。

通過在柵與AlGaN勢壘層間插入了p-GaN層，使下方的2DEG溝道耗盡以此來獲得正閾值電壓。

P-GaN型柵常關型器件的實現不需要復雜的柵工藝和刻蝕，所以柵的穩定性較好，可靠性高，獲得的閾值電壓較為穩定。

2022年，Zhou等[27]通過金屬有機化學氣相沉積提出了一種新型 P-GaN型柵結構如圖2所示，研究者通過調控p-GaN在外延生長過程中的參數，有效降低了柵金屬/p-GaN肖特基結的尖峰電場，將柵極擊穿電壓從10.6 V提高到14.6 V，并將在10年內有效工作壽命的最大柵極驅動電壓從6.2 V增加到10.6 V。

目前，很多國外公司如Transform、德州儀器、Infineon、EPC及GaN Systems等，已經做出了中低壓的GaN相關產品，并通過JEDEC制定的標準。而國內的晶湛、能華、三安集成、士蘭集成和英諾賽科等公司對GaN材料與器件的研究同樣得到了迅速發展。隨著GaN在手機充電器中首先得到應用，伴隨著技術的不斷發展和成本的進一步降低，GaN將會在更多的場景得到展現。

2.3" Ga2O3 HEMTs研究進展

以Ga2O3為代表的超寬禁帶半導體材料，相比其他半導體材料，其擁有體積更小、能耗更低和功能更強等優勢，但目前在國內仍處于概念階段。

近年來，第三代半導體材料GaN在高功率電子應用中逐漸占主導地位。然而，由于GaN自身材料的物理性質限制其在高擊穿場強的應用。而Ga2O3因其超寬的帶隙（4.8 eV）、高臨界擊穿場強（8 MV/cm）、高巴利加的品質因數而在高功率高壓應用中引起了研究人員的巨大興趣。Ga2O3有5種同分異構體，而β-Ga2O3自身晶體結構最為穩定，具有對稱中心，但缺乏任何特殊性質，如壓電性、鐵電性等，要想獲得高密度的2DEG，需要對β-（AlxGa1-x）2O3阻擋層進行大量的摻雜及插入極薄的隔離層，同時還需要嚴格控制生長參數和突變的異質界面等因素。

2020年，Ranga等[28]通過MOCVD技術對β-Ga2O3薄膜進行硅δ摻雜，如圖3所示，使得δ摻雜的β-（Al0.26Ga0.74）2O3/β-Ga2O3異質結構中產生了高密度（6.4×1012 cm-2）的片狀電荷。

通過Si調制摻雜的方法雖然可以積累2DEG，但同時由于雜質散射的原因也會導致2DEG的遷移率下降。相比于β-Ga2O3，有著比Ⅲ族氮化物半導體更大的極化效應的ε-Ga2O3更受矚目。

2020年，Ranga等[29]預測在不摻雜的情況下，ε-Ga2O3和m-AlN（m-GaN）界面處的自發極化可以達到1014cm-2的高密度二維電子氣。這種基于ε-Ga2O3的耗盡型高電子遷移率晶體管ε-Ga2O3 HEMT器件的飽和電流遠大于GaN HEMT。另外，通過在ε-Ga2O3的上表面生長超薄AlGaN層，可以顯著抑制器件的關態漏電流。該研究為ε-Ga2O3在制備高頻高功率的HEMT提供了潛在的理論基礎。

此外，與Ga2O3的其他同分異構體相比，亞穩相ε-Ga2O3與ε-（AlxGa1-x）2O3形成的異質結具有相對比較強的自發極化和壓電極化， 所以異質結界面存在高密度和高遷移率的2DEG，因此可以廣泛應用于高頻、大功率半導體器件領域。

雖然基于Ga2O3卓越的物理性能展現出了巨大的發展潛力，但相對于發展較為成熟的GaN而言，其器件的發展依然任重道遠。現階段Ga2O3器件仿真技術面臨著參數缺失且不完善，自身缺陷對電學性能影響較大等諸多問題，這意味著Ga2O3材料在成為電力電子和光電探測產品還需要相當長的一段時間。

3" 結論

本文介紹了幾種HEMT器件。近十幾年來，化合物半導體高頻高功率器件在現代信息化社會中起著舉足輕重的作用，隨著科技的進步和市場規模的不斷擴大，高功率高頻率微波器件從GaAs/InP HEMT逐漸過渡到AlGaN/GaN HEMT，盡管Ga2O3 HEMT的開發仍在理論階段，還需要開展更多的基礎研究和推進工作以克服自身的不足，但基于對高功率器件的性能要求越來越高的應用需求，相信在不遠的未來，也將應用在相應的科技領域。

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