如何提升可靠性？GaN器件稳定性方案与实战指南

当你设计的电源管理系统因GaN器件的电流崩塌而性能骤降，或是在高频应用中饱受动态导通电阻退化困扰时，是否曾渴望一套全面提升氮化镓器件可靠性的综合解决方案？微电子研究所的*新研究成果，从位错缺陷工程、表面界面控制到热管理优化，为这些痛点提供了系统性的解决途径，正在将宽禁带半导体的可靠性推向新高度。

一、为什么位错缺陷是GaN可靠性的"隐形杀手"？

GaN器件主要基于异质外延材料制作，由于外延衬底与GaN基外延层间严重的晶格失配和热失配，GaN基异质结构外延薄膜不可避免地存在高密度线性位错（约10 cm^2），远高于Si和SiC等半导体材料。这些位错不仅是漏电通道，更是导致器件长期可靠性退化的根源。

微电子所团队**澄清了GaN异质外延中螺位错（open-core）和刃位错对功率电子器件动态导通电阻退化的不同影响机理。他们发现螺位错在其开核侧壁诱导形成纵向连通的超浅能级电子态，形成贯穿外延层的"电子通道"，易导致电子泄漏、电荷堆积与电流崩塌；而刃位错则在其周围诱导形成连续分布的空穴陷阱，这些陷阱与碳掺杂GaN缓冲层中的CN型缺陷耦合，形成"空穴通道"，反而有助于缓解缓冲层电子积累，减轻动态性能衰退。

这一发现打破了传统观念——并非所有位错都有害。研究提示，通过外延工艺调控螺位错与刃位错的比例，有望在保持整体晶体质量的前提下，实现GaN功率器件在漏电与动态可靠性之间的*优平衡。

二、表面与界面：深能级陷阱的起源与抑制

GaN材料表面容易受到氧化亚镓（GaO）及其它中间氧化态影响而失去原始新鲜表面的台阶流形貌，进而在GaN上诱导出高密度的界面态，导致GaN基功率器件的电流坍塌等可靠性问题。

微电子所团队通过深入研究，发现GaN表面的无定型态GaO是介质/GaN深能级界面态的主要来源。基于这一发现，他们开发了工艺温度高达500℃的原位远程NH/N等离子体处理工艺（Remote Plasma Pretreatments, RPP），将GaN表面的GaO组分从22.40%降低到3.80%，实现了GaN表面原子台阶的稳定重现。

这种高温远程等离子体预处理技术不仅稳定复现了原子级台阶形貌，还显著改善了器件的阈值漂移和电流崩塌现象。恒定电容型深能级瞬态谱分析确认，AlO/GaN界面能级范围大于EC-E>0.4 eV的深能级界面态得到了显著抑制。

三、热管理：金刚石集成技术的突破

对于高功率密度GaN器件，热管理是决定可靠性的关键因素。微电子所创新地使用表面活化键合法（SAB），以纳米非晶硅为介质在室温下达成了氮化镓—金刚石键合。

研究团队系统揭示了退火中键合结构的界面行为及其影响热导和热应力的机理，发现了纳米非晶硅层在退火中再结晶从而降低界面热阻的现象。通过溅射沉积纳米非晶硅层结合离子束表面活化方法实现的GaN-金刚石异质集成，展现了在热导、热应力控制及可靠性方面的明显优势。

研究还发现，虽然较薄纳米非晶硅层在室温键合后有较低热阻，但由于高温退火对非晶层的消除，以及不同厚度非晶硅层在元素偏聚、结晶度和内应力上的差异，高温退火后，较厚的非晶硅层反而具有更低的热阻。拉曼光谱检测显示，退火前后金刚石衬底上GaN层的热应力分别低于30 MPa及230 MPa。

四、结构创新与性能优化

微电子所在器件结构设计方面也取得了重要进展。团队采用LP-SiN结合ALD超薄栅介质技术制备的0.15μm栅长AlGaN/GaN毫米波MIS-HEMT功率器件，解决了现有HEMT器件肖特基漏电大、效率低的问题。

在连续波测试条件中，30GHz的功率附加效率（PAE）为49.7%，功率密度为5.90W/mm。这一性能表现展示了GaN器件在高频应用中的巨大潜力。

在增强型器件方面，团队通过耐高温刻蚀掩模技术，创新性地采用高温栅槽刻蚀工艺显著降低对沟道二维电子气的损伤，提高了刻蚀残留物的挥发。同时采用自主研制的臭氧辅助原子层沉积技术，制备出高绝缘、低缺陷的AlO栅介质，有效抑制了栅极漏电流。

这些技术创新*终研制出阈值电压+1.6V，脉冲输出电流高达1.13A/mm，关态功耗仅为6×10 W/mm的GaN增强型MIS-HEMT器件。相对于常温刻蚀制备的MIS-HEMT器件（输出电流0.42A/mm），高温刻蚀输出电流提高了将近两倍。

五、实战指南：五步提升GaN器件可靠性

**步：材料选择与表征

选择位错密度低且刃位错比例高的外延材料。使用低温光致发光（PL）、导电/电势原子力显微镜（c-AFM/EFM） 等多种先进表征方法评估材料质量。特别关注螺位错与刃位错的比例，寻求**平衡点。

第二步：表面预处理工艺

在介质沉积前，采用高温远程等离子体预处理技术处理GaN表面。将工艺温度提高到500℃，有效去除无定型GaO组分，恢复表面原子级台阶形貌。预处理后表面GaO组分应从22.40%降低到3.80%以下。

第三步：热管理设计

对于高功率应用，考虑采用GaN-金刚石异质集成技术。优化纳米非晶硅介质层厚度，平衡室温键合性能与高温热稳定性。目标是将界面热导提升到与外延生长法制备的水平相当。

第四步：器件结构优化

对于高频应用，采用LP-SiN结合ALD超薄栅介质技术减少栅极漏电。对于功率开关应用，采用轻掺杂漏极技术，有效调控栅下的二维电子气浓度和关态表面电场。

第五步：系统级测试与验证

建立完善的可靠性测试流程，包括：

• 高温反偏测试：评估长期稳定性

• 动态导通电阻测试：使用电感负载评估平台研究复杂工作模式下的性能

• 热循环测试：验证热管理设计的有效性

• 实际工况模拟：在真实工作条件下评估可靠性

个人观点：

微电子所在GaN可靠性方面的研究*令人印象深刻的是其系统级思维——他们不仅关注单个技术点的突破，更注重从材料、工艺到器件的全链条优化。这种系统级 approach 正是解决GaN可靠性难题的关键。

我认为，"缺陷工程"理念的转变特别值得关注。传统上我们总是试图消除所有缺陷，但微电子所的研究表明，通过巧妙调控缺陷类型和分布，反而可以利用某些缺陷来改善器件性能。这种从"消除缺陷"到"管理缺陷"的思维转变，代表了半导体技术发展的新方向。

更重要的是，这些研究成果体现了多学科交叉融合的价值。从材料科学到器件物理，从工艺工程到热管理，只有打破学科壁垒，才能解决GaN可靠性这样的复杂问题。

**数据视角：

根据微电子所的研究成果，采用其可靠性提升方案后：

• 动态导通电阻退化幅度可降低40%以上

• 界面态密度降低50%-70%，显著改善电流崩塌

• 采用GaN-金刚石集成后，器件结温可降低50°C

• 高温刻蚀制备的MIS-HEMT输出电流比常温刻蚀提高近两倍

这些改进不仅提升了器件性能，更为GaN在5G/6G通信、智能消费电子等领域的广泛应用奠定了坚实基础。