过去数十年间，宽带隙半导体技术取得了显著的发展，氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMTs）在高功率和高频率应用领域中显示出了出色的性能。二维电子气（2DEG）的高电荷密度和GaN材料的宽带隙（~3.4 eV）导致GaN HEMTs具有低电阻和高功率密度。高饱和电子速度会提高GaN射频（RF）系统的开关频率，并降低其功率损耗和物理尺寸。此外，当与碳化硅（SiC）衬底结合使用时，GaN的低本征载流子浓度和SiC的高导热率可提供更高的工作温度，从而确保器件在极端环境下的工作性能。另一方面，硅衬底的高成熟度和高集成度可提供具有低成本优势的硅基GaN HEMTs。得益于上述所有出色的物理和化学特性，GaN HEMTs完全符合第五代（5G）无线通信器件和电力电子器件的主要要求，从而加速了众多应用的增长，包括功率放大器（PA）、阈值开关器件、电池充电器、功率转换器等。
在较大电流密度、较高温度和电场的工作条件下，GaN HEMTs可能会受到各种在硅或GaAs器件中未观察到的退化机制的影响。此外，由于GaN材料具有高熔点、低分解点的特点，目前获得GaN晶体的主要方法仍是异质外延。异质外延的主要衬底蓝宝石及SiC与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，容易导致外延层中存在较高的位错密度和残余应力。同时由于金属有机物分解等因素，GaN在生长中会引入非故意掺杂原子点缺陷，材料中的位错、残余应力以及点缺陷等会对GaN基器件带来潜在的可靠性影响。目前，GaN基器件的可靠性主要包含电学可靠性、热稳定性和抗辐照稳定性等方面。其中，电学可靠性问题对器件影响最大且关注最多。产生电学可靠性问题的常见原因主要包括逆压电效应、热电子效应、陷阱效应以及金属不稳定等等。可靠性问题会严重降低器件的综合性能，甚至导致器件不可逆失效，因此十分有必要对相关问题进行深入研究。
南京大学陆海教授课题组近年来重点开展GaN基高功率电子器件、深紫外探测器件、及新型氧化物透明薄膜晶体管研究，致力于将半导体基础研究成果推广到器件应用领域。在本文中，我们介绍了用于失效后分析的常用物理表征技术和相应的常规分析流程。对包括ESD、高电应力、高热应力、高磁场、辐射效应等不同类型的失效机制进行了综述，总结了与每种失效机制对应的失效现象，最后讨论了GaN HEMTs的优化方法，如表面钝化优化、栅凹槽深度优化、接触结构优化和几何结构优化。

与连续的可靠性退化过程相比，灾难性失效是瞬时的，很难通过常规的电学测量方法进行分析。因此，人们常常把更多的关注放在了器件的长期可靠性和性能不稳定性研究上，而忽略了对失效后器件的物理分析，但这对GaN HEMTs的可靠性改进是至关重要的。本文对近五年来的GaN HEMTs失效分析案例进行了系统性的汇总，总结了与每种失效机制对应的失效现象，最后讨论了GaN HEMTs的优化方法。这将对未来GaN HEMTs失效案例分析及后续器件优化改进提供一定的借鉴参考作用。
Recent progress of physical failure analysis of GaN HEMTs
Xiaolong Cai, Chenglin Du, Zixuan Sun, Ran Ye, Haijun Liu, Yu Zhang, Xiangyang Duan, Hai Lu
J. Semicond. 2021, 42(5): 051801
doi: 10.1088/1674-4926/42/5/051801
Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/5/051801?pageType=en