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氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管作為第三代半導(dǎo)體器件的代表，憑借其優(yōu)異的材料特性在功率電子和射頻應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。GaN材料具有寬禁帶(3.4eV)、高擊穿電場(chǎng)(3.3MV/cm)、高電子飽和速度(2.5×10^7cm/s)和高熱導(dǎo)率等突出優(yōu)勢(shì)，使其成為開(kāi)發(fā)高性能功率開(kāi)關(guān)器件和微波器件的理想選擇。根據(jù)器件結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，GaN FET主要可分為以下幾類(lèi)：

一、耗盡型(D-mode)GaN HEMT

耗盡型GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)由下至上包括：襯底(通常為Si、SiC或藍(lán)寶石)、GaN緩沖層、非故意摻雜的GaN溝道層和AlGaN勢(shì)壘層，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面由于極化效應(yīng)會(huì)形成高濃度(約10^13cm^-2)、高遷移率(室溫下>1500cm^2/V·s)的二維電子氣(2DEG)，即使在零柵壓下也能導(dǎo)通，因此屬于常開(kāi)型器件。

耗盡型HEMT的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)包括：

1、采用肖特基柵極結(jié)構(gòu)，通過(guò)柵極反向偏壓來(lái)耗盡溝道中的2DEG實(shí)現(xiàn)關(guān)斷

2、典型閾值電壓在-3V至-5V范圍

3、需要負(fù)柵壓驅(qū)動(dòng)，增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

4、在射頻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如基站功率放大器等

二、增強(qiáng)型(E-mode)GaN FET

為解決耗盡型器件需要負(fù)柵壓驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，業(yè)界開(kāi)發(fā)了多種增強(qiáng)型GaN FET技術(shù)，主要包括：

1、凹槽柵結(jié)構(gòu)

通過(guò)干法刻蝕在AlGaN勢(shì)壘層形成凹槽，部分或完全去除AlGaN層，降低極化效應(yīng)產(chǎn)生的2DEG濃度，從而實(shí)現(xiàn)零柵壓下的關(guān)斷。關(guān)鍵技術(shù)包括：

①凹槽深度控制，通常在10-20nm范圍

②采用MIS柵結(jié)構(gòu)(如SiNx/Al2O3介質(zhì)層)提高柵極可靠性

③閾值電壓可達(dá)+1V以上

2、p-GaN柵結(jié)構(gòu)

在柵極區(qū)域引入p型GaN層，通過(guò)p-n結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)耗盡溝道2DEG，實(shí)現(xiàn)常關(guān)特性。主要特點(diǎn)：

①柵極采用Ni/Au等p型歐姆接觸金屬

②閾值電壓典型值+1.5V

③柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，兼容硅MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

3、共源共柵(Cascode)結(jié)構(gòu)

將耗盡型GaN HEMT與低壓硅MOSFET集成封裝，利用硅MOSFET實(shí)現(xiàn)常關(guān)特性。特點(diǎn)包括：

①硅MOSFET控制通斷，GaN HEMT承擔(dān)主要電壓應(yīng)力

②驅(qū)動(dòng)兼容傳統(tǒng)硅器件

③整體性能受硅MOSFET限制

三、垂直結(jié)構(gòu)GaN FET

傳統(tǒng)GaN FET多為橫向器件，電流在表面平行流動(dòng)。垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)外延生長(zhǎng)和深刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)電流垂直流動(dòng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

①更高耐壓能力(可達(dá)1200V以上)

②更高電流密度

③更優(yōu)的熱管理性能

主要技術(shù)路線包括：

1、電流孔徑垂直電子晶體管(CAVET)

①通過(guò)離子注入形成電流阻擋層

②孔徑區(qū)域控制電流通路

③可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓

2、溝槽柵MOSFET

①采用類(lèi)似硅超結(jié)概念的交替p/n柱結(jié)構(gòu)

②溝槽柵氧化層質(zhì)量是關(guān)鍵挑戰(zhàn)

③實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)1.2kV/10mΩ·cm^2性能

3、納米線/鰭式FET

①基于GaN納米線陣列的垂直結(jié)構(gòu)

②極小的特征尺寸帶來(lái)優(yōu)異柵控能力

③研究階段性能優(yōu)異，但工藝復(fù)雜

四、新型結(jié)構(gòu)GaN FET

隨著技術(shù)發(fā)展，一些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)：

1、雙柵結(jié)構(gòu)

①增加第二個(gè)柵極改善柵控能力

②可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值電壓

③應(yīng)用于射頻開(kāi)關(guān)等場(chǎng)景

2、多溝道HEMT

①堆疊多個(gè)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)

②顯著提高電流驅(qū)動(dòng)能力

③用于大功率微波器件

3、超結(jié)結(jié)構(gòu)

①借鑒硅超結(jié)概念

②交替的p型/n型GaN柱陣列

③突破傳統(tǒng)橫向器件的耐壓限制

五、異質(zhì)集成GaN器件

為充分發(fā)揮GaN性能優(yōu)勢(shì)并彌補(bǔ)其不足，異質(zhì)集成技術(shù)日益重要：

1、GaN-on-Si

①在硅襯底上異質(zhì)外延GaN

②大幅降低成本

③面臨晶格失配和熱失配挑戰(zhàn)

④600V以下中低壓市場(chǎng)主流技術(shù)

2、GaN-on-SiC

①SiC襯底提供優(yōu)異導(dǎo)熱性

②更高功率密度和可靠性

③成本較高，主要用于航空航天等領(lǐng)域

3、單片集成(GaN IC)

①將GaN功率器件與驅(qū)動(dòng)/控制電路集成

②減少寄生參數(shù)，提高開(kāi)關(guān)速度

隨著材料生長(zhǎng)、器件工藝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同結(jié)構(gòu)的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管將根據(jù)各自特點(diǎn)找到適合的應(yīng)用場(chǎng)景，共同促進(jìn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。