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GaN基HEMT技术发展面临的主要问题

  (1)极化效应对GaN基异质结构的影响及2DEG的形成化理
  GaN基材料体系具有很强的自发极化和压电极化效应,这也是GaN基半导体材料优于其它半导体材料的一个重要方面。在不惨杂的情况下,AlGaN/GaN HEMT可以通过极化效应在异质界面GaN—侧产生高达1013cm-2量级的2DEG浓度。因此,极化效应对于AlGaN/GaN异质结界面处的2DEG的形成和调控至关重要。但是,由于极化效应与2DEG的产生、作用机理及极化效应对材料和器件性能的影响非常复杂,还需要进一步的深入研究。尤其是对N面极性AlGaN/GaN异质结构的研究。
 
  (2)高电阻高质量GaN缓冲层的实现
  高电阻率高质量的GaN缓冲层可以降低GaN基HEMT器件的泄漏电流、保持电子气的二维特性、提高器件的工作频率、抑制电流崩塌效应、提高HEMT器件的击穿电压。非故意渗杂GaN外延材料通常含有高达1013cm-2量级的背景电子浓度,其可能的来源是非故意掺杂的杂质和N空位。目前国际上实现高阻GaN材料采用的方法主要是通过在GaN材料中有意引入高位错密度等结构缺陷或外来杂质,在GaN材料中产生电子的深能级陷阱,消除背景电子,使GaN材料达到高电阻率。但是无论是高位错密度,还是有意渗入P型渗杂的方法,通常很难做到既实现高电阻率,又不影响材料的晶体质量。因此,迫切需要对比研究不同方法生长的高阻GaN材料对器件性能的影响,以降低GaN高阻缓冲层深能级陷阱产生的电流崩塌,提高GaN基HEMT器件的性能。
 
  (3)GaNHEMT器件的稳定性和可靠性
  器件的稳定性和可靠性是决定器件能否大规模实用化的决定性因素。目前虽已有GaN基HEMT功率器件产品出售,但GaN基HEMT功率器件的稳定性和可靠性研究仍处于初期阶段,是当前国际研究热点,尚未建立完整、科学的测试和评价体系。AlGaN/GaNHEMT器件工作时会受到强电场和大电流的反复冲击,较高的结温和高温应用时的工作环境也会对器件性能产生影响。因此GaN基HEMT器件在电应力和高温下的退化机理是非常重要的问题。己经发现在AlGaN/GaNHEMT器件中存在电流崩塌现象,该现象是当前影响GaN基HEMT器件稳定性和实用化的最突出问题。这种电流崩塌现象会导致器件输出电流减小、导通电阻増加,输出功率下降,器件的性能恶化。虽然目前针对类似电学退化现象进行了大量研究,并提出了诸多退化化制,但是,器件的电学特性退化现象有多重表现形式,迄今为止,尚无一种完整理论可同时解释所有的退化现象。因此,对GaN基HEMT器件的可靠性机理以及可靠性加固术的研究都是研究者们在未来需要努力的方向。除从工艺上减小甚至消除电流崩塌效应外,导致电流崩塌效应的材料原因、工艺原因和识别技术也是目前亟待开展的研究工作。

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