不用刻蚀！氮化镓器件用上氢钝化方案

研究表明，氢等离子体处理技术能够提升氮化镓（GaN）功率器件的性能、稳定性，同时助力单片集成电路集成。

氢等离子体对p型氮化镓的钝化

1992年，日本日亚化学的Shuji Nakamura及其团队首次报道，在氨气（NH₃）环境下对掺镁（Mg）的p型氮化镓薄膜进行退火处理会产生特殊效应。当温度高于400℃时，氨气分解并产生氢原子，可得到高阻薄膜。在纯氮气环境下退火则观察不到该现象，这说明氢会在p型氮化镓内部形成空穴补偿。后续其他研究证实，镁受主会形成呈电中性的镁-氢络合物，实现钝化，大幅降低近表面区域的空穴浓度。

氢等离子体处理制备高阻层的一大核心优势：器件制备过程中，大多不需要对该表层进行刻蚀。刻蚀会产生悬键与界面态，严重损害器件性能。等离子体处理实现的平面工艺相对更简单，还能规避上层薄膜的台阶覆盖问题。下文举例说明氢等离子体工艺在氮化镓器件制造中的优势。

氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）性能与稳定性提升

制备增强型氮化镓HEMT的常用方案是采用p型氮化镓栅极。p型氮化镓层会改变费米能级，在栅压为0V时，有效消除栅极下方固有的二维电子气（2-DEG）。而接入区（栅极与源、漏电极之间区域）需要恢复二维电子气，常规做法是刻蚀掉该区域的p型氮化镓层。

Ronghui Hao等人开展研究，对比了刻蚀工艺与氢等离子体处理的p-GaN/AlGaN/GaN HEMT器件。该工艺中，栅金属可作为氢等离子体的自对准掩膜，仅在接入区形成高阻层。在阈值电压相近（Vth约1.75V）的条件下，等离子体处理后的器件跨导（gm）、饱和电流更高，栅漏电流也小于刻蚀型器件。

Li等人对比了两种工艺器件的稳定性。在软开关、硬开关两种工况下逐步抬升漏极电压，测试器件的阈值电压漂移。

如图1所示，氢处理后的器件稳定性显著提升。氢处理器件的电流崩塌仅为5%，而刻蚀器件性能衰减达到48%。原因在于氢等离子体优化了表面态，降低了热电子俘获效应。

多个研究团队也针对氮化镓HEMT的氢处理工艺开展优化。其中一项研究发现，降低射频功率可以减小反向漏电流；在等离子体处理后进行350℃快速热退火（RTA），能够在低反向漏电流和高正向漏极电流之间取得最优平衡。

图1：刻蚀型与氢等离子体处理p型氮化镓栅极HEMT器件开关稳定性对比

制备氮化镓HEMT直接耦合场效应管逻辑（DCFL）电路

将低压增强型/耗尽型（e型 /d型）HEMT、二维电子气电阻、金属-绝缘层-金属（MIM）电容和高压HEMT功率器件单片集成，就可以实现基于DCFL架构的集成功率变换器。氮化镓具备高转换效率，这类变换器有潜力替代硅基集成双极-CMOS-DMOS芯片。

这类集成方案可以用于制造电源管理芯片（PMIC）、多电平变换器，集成驱动、检测比较逻辑以及故障检测电路。单片集成方案相比多裸片方案，寄生参数更少，能够充分发挥氮化镓高速开关的优势。

Fan Li等人基于氢处理工艺，研制出集成式48V直流-直流降压变换器。耗尽型器件经过氢处理，整片p型氮化镓栅层转变为高阻层，从而恢复整个器件区域的二维电子气，如图2。增强型器件则仅在接入区做氢等离子体处理，和前文方案一致。

图2：氢等离子体工艺制备增强/耗尽型氮化镓HEMT的截面示意图以及器件转移特性曲线

经过氢等离子体处理的增强型器件，击穿电压大幅提升（大于1300V），而刻蚀方案的击穿电压不足600V。研究人员采用经过校准的高级SPICE模型（ASM）对器件与电路仿真验证。该变换器在1MHz开关频率下表现良好，证明这套工艺路线可用于制造先进氮化镓集成电路。

肖特基势垒二极管（SBD）的氢等离子体终端结构

肖特基势垒二极管是功率变换电路的核心器件，氮化镓肖特基二极管可以和HEMT单片集成。

准垂直硅基氮化镓肖特基二极管

Xuan Liu团队研制了准垂直硅基氮化镓肖特基二极管，在顶层n型氮化镓阳极肖特基接触附近设置渐变p型氮化镓结。该pn结可以屏蔽肖特基接触，避免其承受强电场。氢在p型氮化镓层可控横向扩散，实现结终端渐变，进一步缓解电场集中效应。

对比台面刻蚀形成的pn结终端，氢等离子体处理能够减少刻蚀带来的漏电流。无终端结构的氮化镓肖特基二极管反向击穿电压仅140V； 增加p型氮化镓终端后，击穿电压提升至440V； 再增加氢等离子体处理，击穿电压提升至477V，同时反向漏电流更低。 氢处理之后，在450℃退火60秒，击穿电压进一步提升至500V。退火促进氢横向扩散，仿真显示，相比未退火的氢处理器件，表面峰值电场几乎降低一半。

氢保护阵列终端结构

美国亚利桑那州立大学H. Fu教授团队联合犹他大学的研究人员，进一步拓展该思路，采用氢处理终端结构，研制出击穿电压9.5kV的AlGaN/GaN肖特基二极管。器件结构为p-GaN/AlGaN/GaN堆叠结构。

这款横向肖特基二极管采用全新氢保护阵列终端（H-GAT）：p型氮化镓有源层排布成环形阵列，外围为氢处理形成的高阻层。 靠近阳极一侧，环形阵列排布密度更高；靠近阴极一侧，氢处理区域面积更大，阴极和异质结处的二维电子气相连。设计目标是在高反向偏压下分散电场，让电场均匀分布在阳极与阴极之间的整个表面。

该氢保护阵列终端结构的反向漏电流，比无该工艺的器件低至少两个数量级，3kV下漏电流约10⁻⁶ mA/mm。经过优化的器件击穿电压9.5kV，比导通电阻（RON,SP）为118 mΩ・cm²。在千伏级宽禁带半导体器件中，该器件的击穿电压平方/比导通电阻属于业界顶尖水平。