《Materials Today》：High power GaN HEMTs unleashed: Epitaxial design and strategies
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本文综述了GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的epitaxial层设计策略及其对器件性能的影响，重点分析漏极电流、阈值电压和击穿电压等关键参数，探讨如何通过优化异质结构层设计提升器件可靠性和高压性能。
Muhammad Farizuan|Tan Weng-Hooi|Zhao Haocheng|Amirul Firdaus|Hiroshi Kawarada|Shaili Falina|Mohd Syamsul
马来西亚理科大学纳米光电子技术研发研究所（INOR），Sains@USM，Bayan Lepas，11900，槟城，马来西亚
摘要
氮化镓已成为下一代固态功率技术发展的基石。这种曾经被视为新兴材料的物质，如今正在推动紧凑高效设备在高压应用中的发展。基于氮化镓的固态高电子迁移率晶体管已广泛应用于汽车、电信和电力基础设施等领域，因其卓越的性能、热稳定性和在极端条件下的可靠性而受到重视。随着创新的不断加速，这些晶体管有望重新定义节能电子系统的格局。本文综述了外延层设计和生长策略的最新进展，这些策略影响着关键性能指标，包括漏电流、阈值电压和击穿电压。特别关注了外延设计和策略如何影响设备可靠性、栅极控制以及高压操作。讨论还涉及势垒和间隔层配置、用于正常关断状态的介电层以及用于管理电场分布的缓冲架构的发展。本文的范围仅限于氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的生长，有意排除了制造和生长后的修改内容。通过整合功能性外延层的见解，本文强调了实现高性能GaN HEMT的结构基础，并提出了指导未来坚固高效固态功率设备发展的策略。
引言
在21世纪，固态功率电子器件，尤其是高功率器件，在现代技术中变得不可或缺。它们能够在电力传输、可再生能源系统、数据中心和航空航天应用等关键领域实现高效的能量转换和控制[1,2]。功率器件的持续进步，特别是基于宽带隙半导体的器件，对于满足对更高效率、更高功率密度和更好整体性能的需求至关重要。在这些新兴技术中，氮化镓（GaN）材料作为固态功率器件因其出色的材料特性（包括高击穿电场、优异的电子迁移率和良好的热导率）而受到广泛关注[3]。这些特性使GaN成为下一代高功率应用的理想候选材料。2023年，全球GaN功率器件市场的价值约为2.6亿美元，预计到2029年将显著增长至约20.1亿美元，2023年至2029年的复合年增长率（CAGR）为41%（图1（a）[4]。这种快速增长主要是由于对能效、紧凑系统设计和高性能操作的日益增长的需求。在GaN功率器件家族中，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）已成为关键技术，能够在高压应用中实现更高的效率和性能。它们的独特特性，如在异质界面形成二维电子气（2DEG）、高电子饱和速度和低导通状态电阻，使其非常适合快速切换、低损耗的功率转换系统[5]。这些特性使GaN HEMT能够在需要高功率密度和强大热性能的应用中超越传统的基于硅的MOSFET[6]。
多家行业领导者正在积极开发用于高功率应用的GaN HEMT和场效应晶体管（FET）技术。图2展示了截至2025年该领域的一些领先公司及其具有最高击穿电压的产品。它们在电气性能方面的技术贡献总结在表1中。例如，英飞凌科技推出了CoolGaN[7]，专注于设计用于高达700V功率转换应用的高性能晶体管平台。随后，瑞萨电子、Navitas半导体和ROHM半导体分别开发了SuperGaN[8]、GaNSafe[9]和EcoGaN[10]。这些创新旨在将基于GaN的HEMT和FET提升到新的性能、可靠性和稳定性水平。北京中镓半导体科技有限公司和Innoscience等公司也通过提供定制的GaN外延层来推动该领域的发展，以满足多样化的研发需求[11,12]。这些持续的创新反映了全球对基于GaN的器件日益增长的需求。
由于对更可靠和高效固态功率器件的需求不断增加，本文重点关注了固态GaN HEMT设计的最新进展以及用于优化关键电气性能参数的外延生长策略。这些参数包括漏电流（ID）、阈值电压（VTH）和击穿电压（VBR），它们对于确保设备功能、长期可靠性、栅极稳定性以及在高功率条件下的安全操作裕度至关重要。尽管许多研究和综述讨论了器件或电路层面的性能指标或结构修改，但大多数仅提供了有限的外延工程见解。相比之下，本文整合了多种旨在提高可靠性和整体器件性能的外延层设计策略，提供了一个关注这一常被忽视但基础性的GaN HEMT发展方面的视角。
需要指出的是，本文有意排除了器件制造和生长后处理的讨论。这是因为本文旨在对外延设计策略及其对电气性能的直接影响进行深入和连贯的分析。虽然制造和生长后技术很重要，但它们涉及一系列多样的工艺和参数，可能会掩盖对外延工程的讨论。通过这种方式缩小范围，本文为寻求优化高性能GaN HEMT外延层的研究人员提供了更详细和实用的指导。本文研究的外延层主要是使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）和氢化物气相外延（HVPE）等生长技术开发的。
本文首先探讨了推动基于GaN的功率器件采用的关键应用领域和市场需求，特别关注GaN HEMT在推动现代功率电子学发展中的核心作用。然后介绍了传统GaN HEMT的基本结构和设计原理，详细说明了其工作机制和关键性能因素。讨论还扩展到了基板选择对整体器件设计的影响，认识到其对电气性能和制造成本的影响。重点讨论了用于提高漏电流的外延层设计策略，包括掺入AlN间隔层、分级AlGaN势垒和超薄AlN层。还探讨了通过介电工程实现正常关断操作的方法作为重要的设计策略。为满足高功率操作的需求，本文进一步评估了通过集成背势垒结构、掺杂GaN缓冲层及其组合配置来提高击穿电压的策略。最后，本文总结了关键见解，并提出了指导高性能GaN HEMT设计和技术持续发展的未来方向。
部分摘录
基本GaN HEMT结构和操作原理
HEMT的早期发展可以追溯到20世纪80年代，当时Mimura等人引入了第一个使用AlGaAs/GaAs异质结构的HEMT[24,25]。这一突破证明了具有异质结构的晶体管在高压应用中的可行性。尽管如此，基于GaAs的HEMT由于其相对较窄的能带隙、较低的关键电场和较差的热导率而面临显著的限制[26]（见图3（a）。
基板选择
基板层是功率器件性能和可靠性的基本决定因素，特别是在HEMT应用中。基板选择直接影响晶格失配、热管理和可扩展性等关键因素，因此在器件制造中起着关键作用。本节讨论了常用的基板、它们的材料特性及其对整体器件性能的影响。
提高电气性能的外延设计策略
作为本文的核心部分，本节探讨了先进的GaN HEMT层结构如何提高器件性能，特别是在漏电流、正常关断操作和击穿电压方面。关键的结构参数和结果总结在表4、表5和表6中。
CRediT作者贡献声明
Muhammad Farizuan：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理。Tan Weng-Hooi：可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理。Zhao Haocheng：可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理。Amirul Firdaus：可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理。Hiroshi Kawarada：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。Shaili Falina：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢马来西亚高等教育部通过高等教育卓越中心（HICoE）和纳米光电子技术研发研究所（INOR）为该项目提供资助，项目代码：A305-KR-AKH002-0000000434-K134。
