氮化镓功率HEMT场板技术优化

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借更高的功率变换效率、可实现更简洁的电路拓扑，以及能够高速开关、大幅提升功率密度等优势，在众多功率应用中备受青睐。但HEMT器件内部不均匀的横向电场，会限制器件的工作范围，同时影响可靠性。场板（FP）可以让电场分布变得更加均匀，从而帮助HEMT器件实现更高耐压与更好的可靠性。

GaN HEMT的各类场板结构

利用场板来缓解高电场的技术，最早可以追溯到上世纪60‑70年代的硅功率器件：将一块金属板（例如与栅极相连）延伸覆盖在栅氧化层边缘，以此扩展耗尽区，改善器件关态特性。栅极场板（GFP）最早应用于碳化硅衬底的GaN射频器件。

电荷俘获引发的电流崩塌是GaN‑HEMT中广为人知的现象，场板的出现也在很大程度上缓解了该问题。2004年，有研究在氮化硅（SiN）钝化层上方采用两层栅极场板，实现了900V击穿电压，相比无场板结构250V的击穿电压，性能得到巨大提升。此后，针对场板优化的大量研究陆续展开。

图1展示了该研究测试的多种结构变体：1(b)：栅极场板（GFP），栅金属边缘向栅‑漏间隙进一步延伸；1(c)：源极场板（SFP），增加一块与源极电极相连的金属，向栅‑漏间隙延伸；对比对照组1 (a)：无场板结构；1(d)：栅‑源组合场板（SG‑FP），同时使用栅极场板与源极场板。仿真器件参数：栅长2μm，栅‑源间距7 μm，栅‑漏间距（Lgd）15 μm。

图1：GaN‑HEMT器件的四种结构：(a) 无场板；(b) 栅极场板GFP；(c) 源极场板SFP；(d) 栅‑源组合场板SG‑FP

针对阈值电压Vth约‑3.4 V的耗尽型（d‑mode）器件，采用TCAD（工艺计算机辅助设计）仿真，分析器件表面附近的横向电场分布。其中栅极场板长度4 μm，源极场板长度16 μm，两个场板的长度均通过TCAD完成优化。不同场板结构的电场仿真对比见图2。

图2：GaN‑HEMT器件栅极场板、源极场板结构的横向电场仿真对比

无场板时，在栅极靠近漏极的边缘会出现很高的电场峰值，直接限制器件击穿电压。该强电场还会产生大量热电子，进而诱发电流崩塌，也就是动态导通电阻退化。

采用栅极场板（GFP）后，会产生两处电场峰值：栅极边缘的电场峰值显著降低，而新的峰值出现在栅极场板边缘（该峰值依然低于无场板结构）。 源极场板（SFP）则会在场板边缘形成电场峰值。

从图2仿真结果可以看出，栅‑源组合场板（SG‑FP）可以把栅极边缘的电场峰值降到最低。 但栅极场板会增大器件栅‑漏米勒电容（Cgd），对高频开关性能、射频功率增益带来负面影响。

与之相比，源极场板对射频增益的负面影响更小，但金属延伸部分需要额外增加一层钝化层，如图1所示。接地型源极场板已经广泛应用于商用增强型（e‑mode）GaN HEMT。

对于耗尽型共源共栅（cascoded）GaN器件，栅极场板接参考地，实现难度较低。引入源极场板时则需要格外谨慎，它会影响GaN器件与低压硅MOSFET之间的中间节点电位。

该研究团队还基于流片制备的实物器件，验证仿真结果：栅极场板制作在200 nm二氧化硅（SiO₂）钝化层之上；源极场板做在氧化层上方额外增加的300 nm氮化硅（Si₃N₄）层上。 测试表明：各类场板结构基本不改变器件直流导通特性。器件击穿电压与仿真电场变化趋势保持一致：无场板：击穿电压312 V；仅栅极场板GFP：860 V；仅源极场板SFP：1041 V；栅‑源组合场板SG‑FP：击穿电压最高，达到1118 V。

漏极场板的应用

漏极场板（DFP）同样可以提升GaN‑HEMT击穿电压。当同时采用栅极场板 + 漏极场板的双场板结构时，缓冲层特性对整体性能起到关键作用。 栅极场板能够把电场峰值推离栅极边缘，抑制栅极注入效应，多数情况下以此提升击穿电压。

与之不同：当器件表面陷阱浓度较低、耗尽区可以一直延伸至漏极接触处时，漏极场板对提升耐压的贡献更大。尽管缓冲层与栅界面陷阱会决定器件理论耐压上限，但一套设计优良的组合场板，能够让实际器件性能逼近该理论极限。

增大栅‑漏间距Lgd、加厚缓冲层，需要同步优化场板设计。举例：Lgd变大后，栅极电场得到缓解，此时加厚缓冲层降低垂直漏极电场，搭配漏极场板，效果会优于单纯依靠栅极场板。

一篇针对增强型器件的研究表明：采用栅‑漏双场板（GDFP），相比单独使用栅极场板、源极场板、漏极场板，击穿电压分别提升48%、44%、15%。 但在硬开关工况下，漏极场板边缘会加剧缓冲层深能级陷阱俘获电荷，造成器件导通态性能退化 [3]；悬浮式漏极场板被证实是更优方案。

有方案提出，在栅‑漏之间增加电阻分压网络，将横向GaN器件耐压提升至数千伏级别。仿真结果表明，该方案搭配传统栅极、源极场板，可在击穿电压超过2 kV的条件下有效平滑电场分布。

实现方式：沿着栅‑漏间隙，均匀制作若干肖特基接触，将各个接触点串联电阻链。电阻参数需要仔细选型，兼顾漏电流以及开关瞬态响应。这种分压型场板VDFP有望把电阻单片集成在芯片内部，但也带来不小的工艺制造挑战。