综述：面向未来高功率射频电子学的AlGaN/GaN MOSHEMT技术最新进展综述

　　本综述系统梳理了AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOSHEMT)的最新研究进展，重点分析了高k介质、铁电材料等新型栅介质对阈值电压(Vth)、跨导(gm)和击穿电压(VBR)的优化作用，为高可靠性功率电子和射频系统提供了重要技术路径。

　　

材料创新：高k介质与铁电材料的突破

AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOSHEMT)的核心创新在于栅介质材料的演进。传统介质如Si₃N₄、SiO₂和Al₂O₃虽具有适中的介电常数(<10)，但高k介质如HfO₂和ZrO₂(>20)能提供更强的栅极控制能力。原子层沉积(ALD)技术成为制备共形高质量介质层的首选方法，但界面优化仍是关键挑战。值得注意的是，通过脉冲激光沉积(PLD)生长的铁电材料LiNbO₃薄膜，其铁电极化效应可显著增强增强型(E-mode)操作和亚阈值摆幅性能。溶液法沉积技术也展现出潜力，例如通过液相沉积(LPD)制备的掺钡TiO₂介质，可在低温条件下实现高电容密度和低界面陷阱态。

结构演进：从单栅到多栅架构

器件结构的创新同样令人瞩目。单栅结构作为基础架构，在源漏之间采用单一栅电极控制二维电子气(2DEG)流动，具有设计简单、制造稳定的特点。而三栅结构和双沟道配置则通过增加栅极控制维度，显著改善了导通电阻(R_ON)、跨导(g_m)和击穿电压(V_BR)等关键性能指标。特别值得关注的是四栅嵌入式结构，其输出特性和转移特性均显示出较传统单栅结构的显著提升。双沟道架构采用埋藏高迁移率沟道和凹陷上沟道设计，同步实现了击穿电压提升和导通电阻降低的双重优化。

制备工艺：精密控制与损伤 mitigation

制备工艺的精进对器件可靠性至关重要。中性束蚀刻(NBE)技术能够实现无损伤表面制备，为后续原子层沉积提供理想界面。氟处理工艺可实现增强型操作，但可能引起阈值电压漂移和沟道迁移率下降。后沉积退火(PDA)工艺通过改善界面质量和介质强度，有效缓解了Al₂O₃/GaN界面陷阱态对亚阈值性能的影响。热氧化结合湿法蚀刻的栅凹陷技术，显著降低了等离子体损伤风险。在表面钝化方面，Si₃N₄表现出优于Al₂O₃的性能，特别是在抑制动态R_ON退化方面效果显著。

性能提升：热稳定性与辐射耐受性突破

性能优化研究取得了实质性进展。硅基GaN MOSHEMT在200°C高温环境下仍能保持稳定的最大漏电流(I_{D, max})、阈值电压(V_th)和导通电阻(R_ON)值，展现出卓越的热稳定性。MgCaO栅堆栈结构不仅提高了稳定性，还减少了滞后现象并增强了电流能力。插入AlN/GaN界面层有助于维持高迁移率和强电子限制，即使在硅衬底上也能实现低导通电阻和稳健的常关特性。辐射耐受性研究显示，经过优化的器件结构能够有效抵抗辐射暴露引起的性能退化。

可靠性挑战：失效机制与应对策略

可靠性研究揭示了热应力、偏压诱导退化和辐射暴露等关键挑战。温度对载流子迁移率、阈值电压稳定性有着深远影响，高温操作会加剧界面陷阱态的形成。偏压应力测试表明，栅介质不稳定性和界面缺陷会导致长期性能退化。通过表面钝化、优化退火工艺和材料选择等策略，可有效缓解这些失效机制。实验数据证实，采用新型栅堆栈和界面工程的器件在长期应力测试中表现出更稳定的电气特性。

应用前景：高可靠性场景的广阔天地

性能与可靠性的双重提升推动了MOSHEMT在高端领域的应用。具有稳定击穿电压和最小R_ON退化特性的器件非常适合高效转换器、逆变器和车载汽车电源系统。增强的栅介质完整性和在温度、辐射条件下最小的V_th漂移，使这些器件在航空航天和国防电子系统中具有重要价值。5G通信基础设施受益于其高频率操作能力和功率处理效率。医疗电子设备凭借其低噪声和高可靠性特点，可应用于诊断成像和治疗系统。

技术展望：未来发展方向

AlGaN/GaN MOSHEMT技术的持续发展需要多学科协同创新。界面工程仍需进一步优化以减少陷阱态密度，新型介质材料的集成需要兼顾介电常数与界面质量。制造工艺的标准化与可重复性是大规模商业化应用的关键前提。多栅架构的设计优化和三维集成技术将为器件性能带来新的突破。与此同时，可靠性模型的建立和寿命预测方法的完善将加速这些器件在关键任务系统中的部署进程。