高k介电材料在GaN HEMT表面钝化中的应用：机制、进展与挑战

摘要：氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）作为新一代功率半导体器件的核心，其表面钝化技术是突破器件可靠性瓶颈的关键。本文系统综述了高k介电材料（HfO₂、Al₂O₃、AlN等）在GaN HEMT表面钝化中的最新研究进展，重点探讨其界面态抑制机理、工艺兼容性及对器件电学性能的优化作用。通过对比不同高k材料的介电常数、界面缺陷密度和热稳定性，揭示了HfO₂和Al₂O₃在降低栅漏电流、提升击穿电压和抑制动态导通电阻（Ron）方面的显著优势。此外，本文总结了高k材料与GaN界面工程中的关键挑战（如界面氧化层、热膨胀失配），并展望了原子层沉积（ALD）技术、复合钝化层设计等未来发展方向。

关键词：GaN HEMT；高k介电材料；表面钝化；界面态；ALD技术；动态Ron

1. 引言

1.1 GaN HEMT的应用潜力与表面钝化需求

氮化镓（GaN）凭借其宽禁带（3.4 eV）、高电子迁移率（2000 cm²/V·s）和高击穿场强（3.3 MV/cm），成为5G通信、电动汽车和航空航天领域的关键器件。然而，GaN表面的高密度界面态（10¹³–10¹⁴ cm⁻²·eV⁻¹）会引发电流崩塌、阈值电压漂移和热载流子退化，严重制约器件可靠性和长期稳定性。

1.2 传统钝化材料的局限性

传统SiNₓ钝化层（介电常数k≈7）虽能提供物理保护，但其较低的介电常数难以有效屏蔽表面电场，导致电场集中在栅极边缘，加剧界面电荷俘获效应。此外，SiNₓ与GaN的热膨胀系数差异（SiNₓ： 3.3×10⁻⁶/K vs. GaN： 5.6×10⁻⁶/K）易引起热应力缺陷。

1.3 高k介电材料的优势

高k介电材料（k>10）通过增强电场均匀性和抑制表面态密度，成为新一代钝化层的理想选择。例如，HfO₂（k≈22）和Al₂O₃（k≈9）可显著降低栅极漏电流（Ig）并提升击穿电压（BV）。

2. 高k介电材料的钝化机制

2.1 表面态抑制与界面化学键合

高k材料通过两种协同机制显著优化半导体界面的电学特性。首先，基于悬挂键钝化效应，高k材料中富含的氧/氮原子能够与GaN表面未饱和的Ga悬挂键发生化学键合，这种原子级的界面重构有效填补了晶格缺陷，将界面态密度（Dit）降低至10¹¹ cm⁻² eV⁻¹量级，从而抑制载流子复合损失。其次，高介电常数特性（k>20）引发的电场屏蔽效应，通过调控载流子分布使表面电场呈现更均匀的空间分布（如文献图1a所示），特别在栅极边缘区域，该效应可使峰值电场强度降低约40%，这一特性对缓解器件击穿风险、提升耐压能力具有关键作用。

2.2 动态性能优化

高k材料在抑制动态导通电阻（Ron）退化及提升击穿电压方面展现出显著优势。针对动态Ron抑制，高k介电层的引入通过其低缺陷密度特性有效抑制了表面电荷俘获现象，从而显著缓解（GaN）器件中由强电场诱导的电流崩塌效应。实验数据表明，采用HfO₂作为钝化层的器件在100 V应力偏压下动态Ron仅增加15%，而传统SiNₓ钝化器件的动态Ron退化幅度高达50%以上，这一差异凸显了高k材料在界面电荷稳定性方面的优越性。在击穿电压（BV）提升方面，HfO₂钝化层凭借其高介电强度及优化的界面电场分布，可将器件的耐压能力从传统SiNₓ钝化的800 V大幅提升至1200 V（如文献图2b所示）。这一性能突破主要归因于高k材料对栅极边缘电场的平滑调控，从而延缓了雪崩击穿的发生。

3. 典型高k介电材料的研究进展

3.1 HfO₂基钝化层

高k材料HfO₂因其高介电常数（k=22）和优异的抗氧扩散能力展现出显著技术优势。高介电常数特性可增强栅极电容耦合效率，同时通过电场调控降低漏电流；其致密的晶体结构还能有效阻隔氧元素在高温工艺中的体相扩散，维持界面化学稳定性。然而，HfO₂与GaN的异质界面易因热力学失配形成低介电常数（k<10）的GaOₓ过渡层，此类非理想界面会引入额外界面态并削弱电场调控效果。为解决这一问题，需通过原子层沉积（ALD）工艺优化界面氧含量，例如在沉积前采用表面钝化处理抑制Ga原子的自发氧化反应。典型案例中，Kim等研究者（2022）开发了原位N₂等离子体预处理技术，在HfO₂沉积前对GaN表面进行氮化改性，成功将HfO₂/GaN界面的态密度（Dit）从常规工艺的～10¹³ cm⁻²·eV⁻¹降低至3×10¹² cm⁻²·eV⁻¹。这一突破通过精准调控沉积过程中的氧化学势，抑制了GaOₓ亚稳态相的生成，为高k介质与宽禁带半导体的高质量集成提供了可扩展的工艺路径。

6. 结论

高k介电材料通过抑制界面态、优化电场分布和提升热稳定性，为GaN HEMT的可靠性突破提供了有效路径。当前研究已证明HfO₂和Al₂O₃的显著优势，但界面氧化层和热失配问题仍需进一步解决。未来需结合材料创新、工艺优化和跨尺度仿真，推动高k钝化技术向高性能、高可靠性和低成本方向发展。

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