GaN，走向高电压

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随着电力在越来越多的应用中取代化石燃料，系统设计人员需要能够处理更高电源电压以及更苛刻的短路和过电压尖峰的开关和电源转换器。

宽带隙半导体，例如氮化镓（GaN），因其更高的击穿强度和更高的导热性，能够支持高功率密度应用，而备受器件设计人员的关注。然而，它们在常见失效条件下的耐受能力尚未得到充分验证。

高电子迁移率晶体管 (HEMT) 是氮化镓 (GaN) 功率器件的基本组成单元，其结构依赖于 GaN/AlGaN 异质结。两种材料界面处的晶格应变会导致能带结构不连续，从而形成二维电子气 (2DEG)。载流子在该层内具有极高的迁移率（超过 1500 cm² / V·s），而在其外部则具有极低的迁移率。在没有外部偏置的情况下，2DEG 可以形成导电通路。

因此，最基本的HEMT器件是常开型耗尽模式器件。在硅逻辑电路中，为了降低功耗，通常采用常关型增强模式工作。在功率器件中，这对于安全运行至关重要。多种不同的设计都已验证了增强模式工作。其中最成功的设计之一是使用镁掺杂的p-GaN栅极。它提高了势垒层的表面电势，即使在零偏压下也能耗尽栅极区域的二维电子气（2DEG）。

由于GaN/AlGaN异质结构依赖于晶格应变来限制二维电子气（2DEG），因此精确的应变工程对于成功制造GaN功率器件至关重要。为了在硅衬底上获得高质量、无裂纹或位错的超晶格，制造商通常使用梯度AlGaN缓冲层，然后再沉积器件结构。这一要求反过来又意味着大多数GaN功率器件采用横向结构和水平沟道。在硅和SiC功率器件中常见的垂直沟道在GaN中更难实现。

如果说制造器件级氮化镓（GaN）本身就十分困难，那么将其与其他材料集成就更加困难了。然而，正如英特尔晶圆代工中心的韩伟（Han Wui Then）及其同事所解释的那样，这恰恰是许多应用所需要的。英特尔晶圆代工中心展示了一种基于硅基氮化镓（GaN-on-silicon）的芯片平台，用于低电压、高密度功率电子器件。

通过减小电路元件之间的距离，芯片组可以降低电阻损耗并加快开关速度。另一方面，为了最大限度地降低电阻损耗并提高散热效率，芯片组的厚度应远小于 50 微米。此外，硅电路元件需要与氮化镓 (GaN) 元件位于同一芯片上。没有空间为控制器电路和类似组件配备单独的 CMOS 芯片。

为了解决氮化镓（GaN）质量和硅质量之间的权衡问题，这项研究利用统一的工艺设计套件，将硅PMOS层转移到GaN N-MOS HEMT上。他们展示了一整套片上电路，包括多路复用器、反相器和环形振荡器。据英特尔称，这些器件厚度仅为19微米，是目前世界上最薄的GaN芯片。

图 1：透射电镜图像显示了与硅 PMOS 单片集成的 GaN N-MOS HEMT

隔离与集成

虽然提高器件密度可以降低电阻损耗，但却增加了器件间隔离的难度。当器件共用一个源极或通过同一衬底进行背栅连接时，尤其难以防止串扰。

例如，半桥电路是电力电子器件的基本元件，它包含一个高侧开关和一个低侧开关，它们的源极不同。当高侧开关导通时，节点连接到正电源线；当低侧开关导通时，节点接地。SOI和其他工程衬底可以为每个晶体管提供独立的“岛”，但这会增加成本和设计复杂性。类似地，双向开关也常用于各种功率转换器中。当两个源极共用一个衬底时，串扰会降低器件的电阻。同样，有源衬底控制电路也会增加成本和设计复杂性。

香港科技大学的郑武及其同事试图通过在同一异质结构中构建两个二维电子气（2DEG）通道来解决这个问题。他们的结构使用了两对AlN/GaN（图2），顶部是AlGaN层，再顶部是p-GaN栅极。堆叠结构中间的AlN层形成了一个空穴扩散通道，可以阻挡垂直方向的空穴传输。从p-GaN栅极注入的空穴会被扫到该层并复合消失，从而抑制串扰。

图2：双通道功率集成平台的横截面视图和示意性带状图

串扰虽然是一个严重的问题，但工业应用的功率器件还需要能够承受短路和过压条件。香港大学的一个研究小组提出，背栅效应可以通过减轻沟道内的电流拥挤来提高短路耐受能力。他们研制的双向开关器件能够承受重复的 30 微秒短路，远远超过典型设计所需的 10 微秒。他们的器件共用一个衬底。相比之下，采用独立衬底的混合器件的短路耐受能力要低得多。

可靠性和界面质量

GaN/AlN界面对GaN器件性能的其他方面也至关重要。当采用MOVPE（金属有机化学气相外延）法沉积这些层时，意外掺入GaN层的碳会导致两种材料之间出现AlGaN梯度。

旭化成株式会社的 T. Lee 及其同事使用三乙基镓代替三甲基镓作为镓前驱体，抑制了碳的掺入，在此过程中，他们几乎将 2DEG 密度提高了一倍，并将薄层电阻降低了近 4 倍。在 AlN 阻挡层中蚀刻凹槽，通过降低接触电阻进一步改善了器件。

高场条件，例如短路和过压事件，会加速沟道电子。这些“热”电子尤其会对器件的接入区造成应力。据南方科技大学（深圳）的陈浩浩教授介绍，镁作为p-GaN掺杂剂时，会扩散到AlGaN势垒层中，并在那里形成深陷阱。陈教授的研究团队采用选择性外延技术，利用二氧化硅掩膜层在所需区域沉积p-GaN，而不会损伤下方的AlGaN层。他们的器件击穿电压达到了495 V，而传统HEMT器件的击穿电压为321 V。采用选择性外延技术的器件还表现出更高的应力可靠性和短路鲁棒性。

在过电压条件下，GaN HEMT 会发生破坏性击穿失效。垂直硅和 SiC 器件能够通过非破坏性的雪崩击穿来承受过电压尖峰。而横向 GaN HEMT 则倾向于发生破坏性击穿。Jingjing Yu 及其同事指出，如果没有 PN 结，这些器件可能无法有效地去除碰撞电离产生的载流子。作为一种替代方案，他们使用减薄的 p-GaN 层来定义穿通栅极（图 3）。在关断状态下，耗尽区从漏极侧开始，并向源极侧扩展。一旦该层完全耗尽，电流就可以穿透到二维电子气（2DEG）层，从而实现非破坏性失效。

图 3：所提出的穿通式 HEMT 设计，附横截面图

结论

氮化镓基功率器件目前已成为消费电子产品充电器等低压应用的首选技术。相比之下，工业应用面临着更为严苛的应力环境，需要器件具备抗短路和高压瞬变的能力。虽然创新的器件设计和工艺优化正在逐步解决这些问题，但仍有许多工作要做。

（来源 ：编译自semiengineering ）

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