今天这篇文章来自摩德纳大学，主要内容是横向、纵向GaN器件的可靠性问题
先介绍背景，
目前，横向硅基氮化镓HEMT器件已实现商业化，而纵向氮化镓MOSFET器件仍处在起步阶段，
这篇文章，介绍这两种器件面临的可靠性问题。
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如上，左边是横向GaN HEMT，右边是纵向GaN沟槽MOSFET，
图中标注总结了两种器件ΔVT和ΔRdon漂移机制，
对横向GaN HEMT而言，ΔVT主要与p-GaN栅极下方或AlGaN势垒层中的电子/空穴俘获有关，
而ΔRdon主要与缓冲层中的碳陷阱有关，表现为动态电阻退化。
对纵向GaN沟槽MOSFET而言，ΔVT主要与MOS栅介质/半导体界面处的陷阱有关，
而ΔRdon主要与体区或漂移区中的陷阱有关，但本文主要讨论阈值电压回滞（Hysteresis）对导通特性的影响。
接下来，分别讨论两种器件的可靠性机制，
（1）横向GaN HEMT：
为降低漏电流并提升BV，前人在GaN HEMT缓冲层中引入C掺杂，但这会加速电流崩塌效应（current collapse），
为什么引入C掺杂可以降低漏电？
因为作为深能级受主杂质（位于价带Ev以上约0.9 eV），C原子能有效俘获电子，这些被俘获的电子固定了费米能级，表现在电性能上，就是漏电流得到抑制。
然而引入C掺杂也会加剧电流崩塌效应，
先解释电流崩塌效应，即，器件工作在关断状态，或半导通状态下，导通电阻会发生“可恢复性增长”（recoverable increase），
何为“可恢复性增长”？
就是说，器件经历一段时间关断状态或半导通状态后，再次被切换到完全导通状态时，初始导通电阻会比正常导通状态下的Rdon更高，
但这并非永久性的损坏，
在完全导通状态下，持续施加电应力一段时间（通常是微秒到毫秒量级），Rdon会逐渐下降，最终恢复到器件正常Rdon值。
这个恢复过程，有时被称为“退陷阱”或“去俘获”，
可通过如下过程理解背后机理：
缓冲层、势垒层的界面处存在陷阱，当器件处于关断状态或半导通状态时，强电场作用下，电子被陷阱捕获，
被捕获的电子产生额外的耗尽效应，效果类似于施加一个负栅压，进而挤压二维电子气通道，减小有效电子浓度，
于是器件刚刚导通时，沟道电阻变大，Rdon偏高，
当器件完全导通后，沟道电场大大降低，大量电子流过沟道，这为被捕获的电子提供了能量（热能）和路径（复合或隧穿），使其逐渐从陷阱中释放，
随着陷阱电荷逐渐释放，耗尽效应减弱，Rdon逐渐恢复到正常值。
那么引入C掺杂为什么会加剧电流崩塌效应？
大概逻辑如下：
当器件承受高VDS时，缓冲层处于高电场下，于是C受主陷阱中的空穴在电场作用下发射，
这些被发射的空穴沿电场方向移动，在界面处被俘获（如AlN界面），
这一过程导致缓冲层上部分的净负电荷增加（带正电的空穴离开），负电荷区域排斥沟道下方二维电子气（2DEG）中的电子，等效于在沟道下方增加一个“虚拟栅极”，耗尽一部分沟道电子，
当沟道再次打开，一部分沟道电子被耗尽，电流路径变窄，于是Rdon明显增加，宏观上即为电流崩塌效应。
撤掉应力后，空穴逐渐从界面陷阱释放， 回到原来的C受主位置，于是负电荷区域消失，Rdon逐渐恢复。
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整个过程大概如上，并不难理解。
从trade-off的视角，缓冲层引入C掺杂，本质上就是用动态性能（动态Rdon）的恶化，换取静态性能（击穿电压、漏电流）的优化。
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仿真结果如上，
（a）的横轴为掺杂碳原子总浓度，纵轴BV，
（b）的横轴为碳原子有效浓度，纵轴表示电流崩塌程度，
结论很清晰：
提升碳原子总浓度可以显著增大BV，而碳原子有效浓度增大会加剧电流崩塌效应。
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如上，动态Rdon与VDS,STR之间的关系， 黑色三角形为实测结果，另外两种形状为仿真结果，
Rdon与VDS,STR呈钟形曲线，
即，随着VDS,STR的增大，Rdon首先迅速增大，到达峰值后，VDS,STR进一步增大，Rdon反而减小（部分恢复），
底层机理，正是之前提到的，缓冲层中C原子相关陷阱的充电/放电过程。
可以看到蓝色曲线代表的仿真结果较好拟合了实测曲线，
通过考虑碰撞电离（产生高电场）产生的空穴，对碳相关受主陷阱的部分中和作用，成功复现了实测结果。
另外需要提到栅偏应力对p-GaN HEMT的影响，
栅偏应力不仅会导致阈值电压漂移，也会诱发导通电阻的动态退化 ，
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如上，负栅极应力期间ID变化情况，（a）为实测，（b）为仿真，
随着负栅偏应力施加时间的增加，ID逐渐减小，表明Rdon逐渐增大，
物理机制正如此前分析：空穴被注入并俘获于AlGaN势垒层陷阱，从而耗尽部分沟道电子，使电流密度降低。
（2）纵向GaN沟槽MOSFET：
再看纵向GaN沟槽MOSFET，
横向GaN HEMT中，可靠性问题主要与缓冲层体陷阱（如碳掺杂）和势垒层陷阱有关，
而在纵向GaN沟槽MOSFET中，可靠性问题主要与MOS栅介质/半导体界面处的陷阱有关。
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如上，纵向n型GaN MOS电容在不同VQB下CV曲线的扫描结果，横轴为VGS，纵轴为电容，
实测和仿真曲线基本重合，
CV曲线的逻辑是——MOS电容对界面电荷状态非常敏感，栅应力会改变陷阱填充情况，从而在CV曲线上留下痕迹，
我们通过宏观波形的变化，推断微观世界的过程。
举例说明，
1、C-V曲线向右刚性平移，这是现象，
原因是受主陷阱在正栅压下俘获电子（带负电），或在负栅压下发射电子（恢复中性）。净效应是在界面处引入了等效固定负电荷，
于是需要施加更大的正栅压抵消这些负电荷，才能达到相同表面势，整个CV曲线右移。
2、在耗尽区出现驼峰，这是现象，
原因是施主陷阱在栅压扫描的某个特定阶段（通常在弱耗尽区）发生快速充放电，表现在波形上，即为“驼峰”。
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纵向GaN沟槽MOSFET的阈值电压回滞如上，
Device A和Deice B分别是两种工艺条件下的器件，通过优化工艺，将Vth回滞降低了75%，
具体咋优化的作者没说，从这张图只能说明，对纵向GaN沟槽MOSFET而言，Vth回滞的确是一个问题，且可以通过工艺方法优化。
小结：
1、横向GaN HEMT的ΔVT主要与p-GaN栅极下方或AlGaN势垒层中的电子/空穴俘获有关，ΔRdon主要与缓冲层中的碳陷阱有关，表现为动态电阻退化。
纵向GaN沟槽MOSFET的ΔVT主要与MOS栅介质/半导体界面处的陷阱有关，ΔRdon主要与体区或漂移区中的陷阱有关，
2、横向GaN HEMT的缓冲层引入C掺杂，本质上就是用动态性能（动态Rdon）的恶化，换取静态性能（击穿电压、漏电流）的优化，
3、纵向GaN沟槽MOSFET转移特性曲线存在明显的回滞现象，原因是近界面陷阱俘获电子，通过优化工艺可明显降低回滞大小。
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