名詞解析
什么是電流崩塌效應？
電流崩塌效應是GaN器件漏極電壓超過一定值時， 隨著漏極電壓的增加，電流開始下降，不能達到理想值的效應。
導讀
近日，美國研究人員發現了在200mm絕緣硅基襯底（SOI）上生長氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的新方法，該研究團隊的主要成員來自于IBM T. J. Watson 研發中心、麻省理工大學（MIT）、Veeco公司以及哥倫比亞大學。他們希望在未來能夠將此GaN異質結構生長技術運用到互補金屬氧化物半導體晶體管（CMOS）中。
GaN的材料優勢
硅材料CMOS器件由于硅本身的特性，并不適合用于高壓大功率電子設備中，比如光伏逆變器、電動汽車充電樁和直流轉換。然而，GaN因其擁有較高的禁帶，能夠提供更高功率以及更好的性能表現。因此，采用GaN材料的CMOS、HEMT器件能夠更好的勝任這些應用。
硅襯底的結構及生長過程
如圖1所示，對于新的器件結構，研究人員首先采用750μm的硅（111）作為襯底，然后在其上生長145nm氧化層（SiO2）以及80nm的硅（100）層。通常，晶向為（111）的硅材料主要用于生長GaN,而硅（100）主要用于CMOS器件的應用。
其次，研究人員將硅（100）表面進行表面氧化，在表面形成40nm的氧化層（圖1（a））。這樣的結構更適合生長14nm工藝的CMOS。
然后研究人員在硅（111）表面蝕刻面積為200μmx200μm的區域作為GaN生長區域（圖1（b））。
圖1 MOCVD生長的硅（111）以及硅（100）橫截面：（a）CVD-SiO2層生長，（b）蝕刻硅（111）表面,（c）Si3N4隔離層，（d）干法蝕刻移除部分Si3N4，（e）生長AlGaN/GaN HEMT，（f）通過化學機械拋光去除CVD-SiO2層
如圖1（c），研究人員使用氮化硅（Si3N4）在（b）的基礎上生長隔離層，這層結構能夠有效的隔離硅和鎵元素之間的互相摻雜問題。
HEMT器件的生長過程
如圖1（e）,GaN與AlGaN材料同樣采用了MOCVD工藝：（1）130nm 1050°C AlN層生長，（2）1.5μm 1035°C GaN緩沖層和溝道層生長，（3）1nm AlN 墊層、20nmAl0.25Ga0.75N阻擋層以及3nmGaN保護層生長。然后再在其表面生長3μm寬的柵極以及源極和漏極。
器件特性
如圖2，根據不同的蝕刻面積尺寸，電子遷移率也會隨之變化。但是漏極電流的最大值卻一直保持大致相同的水平（圖中紅色曲線）。研究人員表示，電子遷移率隨著面積尺寸的減小而降低，是主要因為在較小面積的情況下，材料具有更強的應力松弛能力。
同時，研究人員發現，電流崩塌效應在最大200μmx200μm的面積尺寸上的概率有所增加（小于25%），但是這個效應在較小面積的器件中只有不到6%。例如，通過實驗測量，一個100μmx100μm面積尺寸的器件，其電流崩塌的概率只有不到2%。
結論
研究人員認為，在這種圖案化GaN器件中，電流崩塌似乎是與應力松弛有關，在較小的面積里，概率發生更低。盡管目前對于這種現象并沒有準確的說明，但是研究人員相信缺陷和應力變化對于圖案化GaN器件的電流崩塌存在重要的影響因素。
參考文獻
K. T. Lee et al., "GaN Devices on a 200 mm Si Platform Targeting Heterogeneous Integration," in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 8, pp. 1094-1096, Aug. 2017.
doi: 10.1109/LED.2017.2720688
