第3代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

曹峻松 徐儒 郭偉玲

一、引言

電力電子技術(shù)在人類的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，日常生活中的家用電源到工業(yè)生產(chǎn)、電氣化交通、新能源技術(shù)，電力電子技術(shù)無所不在。現(xiàn)如今，世界能源的40%是由電力能源構(gòu)成[1]，因此，它的進步和革新是推動人類社會發(fā)展的重要力量。

在電力電子設(shè)備中，高效的電力轉(zhuǎn)換是通過電力電子開關(guān)或整流器件來實現(xiàn)的，這些器件的性能好壞會直接影響到整個電力電子設(shè)備的工作效率，為實現(xiàn)更高效的電力轉(zhuǎn)換，就需要對電力電子器件提出更高的性能要求，如更低的導(dǎo)通損耗、耐高溫、高性能的導(dǎo)熱能力等。現(xiàn)在，這些電力電子設(shè)備大部分是基于發(fā)展成熟的硅技術(shù)，從最初的晶閘管、二極管、雙極型晶體管、功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）到最新的超結(jié)MOSFET和絕緣三雙級功率管（GBT），功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)發(fā)展了近60年的時間，器件性能已經(jīng)達(dá)到了硅材料的極限，它已經(jīng)無法滿足現(xiàn)如今電力電子產(chǎn)業(yè)對器件阻斷電壓、散熱、工作溫度、電力轉(zhuǎn)換效率等各方面的要求[2]。盡管目前已經(jīng)報道了耐壓達(dá)到6.5kV的功率硅基IGBT[3]。但囿于硅材料本身的材料局限，還沒有任何一款硅基器件可以工作在200℃以上[1]，基于此，第3代半導(dǎo)體應(yīng)運而出，這其中主要的代表是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），這2種材料目前是應(yīng)用最廣泛的第3代半導(dǎo)體材料。

GaN功率元件與SiC功率元件今后將“各司其職”。SiC主要用于需要處理較大電力的耐壓600V以上的用途。而GaN功率元件預(yù)計主要用于耐壓在600V以下，或要求數(shù)百kHz以上高速開關(guān)的用途。

第3代半導(dǎo)體材料擁有硅材料無法比擬的材料性能優(yōu)勢，從決定器件性能的禁帶寬度、熱導(dǎo)率、擊穿電場等特性來看，第3代半導(dǎo)體均比硅材料優(yōu)秀，因此，第3代半導(dǎo)體的引入可以很好地解決現(xiàn)如今硅材料的不足，改善器件的散熱、導(dǎo)通損耗、高溫、高頻等特性，被譽為光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機。

二、氮化鎵功率器件

GaN具有廣泛的應(yīng)用性，被認(rèn)為是繼硅之后最重要的半導(dǎo)體材料之一。GaN功率器件同當(dāng)前廣泛應(yīng)用的硅基功率器件相比，具有更高的臨界電場強度，更低的開態(tài)電阻，更快的開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率以及在高溫下工作[4]。

1.基本結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用較多的GaN功率器件主要是橫向器件，其中的代表是肖特基二極管（SBD）以及高電子遷移率場效應(yīng)晶體管（HEMT），它們主要是利用氮化鎵鋁（AlGaN）/GaN處異質(zhì)結(jié)處由于極化效應(yīng)產(chǎn)生的二維電子氣（2-DEG）來工作（圖1）。在 AlGaN和GaN結(jié)面處，由于它們的禁帶寬度不同，能帶發(fā)生突變，由此產(chǎn)生的極化效應(yīng)使界面處產(chǎn)生準(zhǔn)三角型勢阱，大量電子被限制在該勢阱內(nèi)，它們在垂直于異質(zhì)結(jié)界面的方向上是量子化的，而在平行于異質(zhì)結(jié)界面的方向上是可以自由運動的，這就是二維電子氣[5]。它具有極高的濃度和電子遷移率，這使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)成為制作GaN基橫向器件的最佳選擇。

GaN可以生長在硅（Si）、SiC以及藍(lán)寶石（Al2O3）上。目前，絕大多數(shù)已經(jīng)報道的GaN基功率器件是在硅襯底上進行生長的[6]。4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圓已經(jīng)實現(xiàn)商用化，8英寸的GaN-on-Si外延片也已經(jīng)由東芝生產(chǎn)成功[7]，圖2是最傳統(tǒng)的GaN HEMT結(jié)構(gòu)。

2.GaN功率器件的市場發(fā)展

GaN基功率器件的市場化方面，美國和日本處于前列。在美國，2010年IR（美國國際整流器公司）推出了第一款GaN商用集成功率級產(chǎn)品iP2010和iP2011，采用了氮化鎵（GaN）功率器件技術(shù)平臺GaNpowIR。iP2010和iP2011集成了超快速PowIRtune柵極驅(qū)動芯片，及一個單片多開關(guān)氮化鎵功率器件。這些器件貼裝在一個倒裝芯片封裝平臺上，可帶來比硅集成功率級器件更高的效率和2倍以上的開關(guān)頻率[8]。緊接著，EPC公司也推出了自己的GaN系列產(chǎn)品，其最高耐壓達(dá)到了300V，導(dǎo)通電阻150mΩ，尺寸1.95mm×1.95mm[9]。2013年上半年，日本松下和夏普公司相繼推出了耐壓600V的肖特基二極管產(chǎn)品[10，11]。接下來，MicroGaN、Transphorm等公司推出了自己的GaN功率器件產(chǎn)品，耐壓最高達(dá)到了1 200V，這其中，Transphorm處于行業(yè)的前列，其最新產(chǎn)品包括耐壓600V的一系列常閉型HEMT產(chǎn)品，以及集成的功率模組和演示板，可廣泛運用于如小功率光伏逆變、電機驅(qū)動、功率因數(shù)校正器等電力電子產(chǎn)品[12]。其發(fā)展歷程如圖3[13]。

國內(nèi)，中國電子科技集團第十三研究所、中國電子科技集團第五十五所及中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡稱“中科院蘇州納米所納米”）在GaN器件的研發(fā)中均取得了突破性的成果；而在市場化方面，蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司公司則處于國內(nèi)的領(lǐng)先地位，其已經(jīng)發(fā)布了氮化鎵微波功放晶體管產(chǎn)品。這款產(chǎn)品工作頻率范圍為2.5G～2.7GHz，供電電壓為48V，飽和功率為200W。在WCDMA（帶DPD）測試條件下，其輸出功率達(dá)40W，ACLR小于-50dBc，效率高達(dá)33%，見圖4。

3.GaN功率器件的應(yīng)用

由于GaN器件優(yōu)異的性能和將來可能低廉的成本，最近，其在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用取得了較大突破。知名市場調(diào)查公司IMS的調(diào)查報告預(yù)計[14]，2015年-2020年，GaN功率器件的應(yīng)用市場空間突飛猛進，將由不到1億美元發(fā)展到近8億美元（見圖5），主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在中小功率供電方面，如PFC、POL等。

2014年5月GaN Systems推出了倒裝級聯(lián)結(jié)構(gòu)的增強型器件，采用PQFN封裝，封裝總電感小至0.6nH，100V器件的導(dǎo)通電阻低至5mΩ·cm2。2014年3月Yaskawa推出4.5kW逆變器，相比于使用硅器件，該逆變器體積縮小了40%，電力損失降低了一半。2014年6月，松下開發(fā)出了GaN功率晶體管并將其運用于PFC電路以及12V降至1.2V的POL（Point Of Load）轉(zhuǎn)換器，大大提高了它們的轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)頻率為2MHz時為90%，開關(guān)頻率為5MHz時為81%[15]（圖6）。

2014年7月，Transphorm公司展示了用其耐壓600V的GaN HEMT器件搭建的1kW單相變頻器（如圖7），它可被廣泛運用于太陽能光伏逆變器和電機驅(qū)動中，其峰值效率超過了98.6%[16]；與此同時，IR公司則展出了將6個GaN功率器件構(gòu)成的3相變頻器電路集成于小型封裝內(nèi)的變頻器模組“μIPM”（如圖8）。此外，該公司還展出了使用600VGaN電力電子器件的500W升壓轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)頻率為2.5MHz，效率高達(dá)97%[17]，如圖9。而使用同級別耐壓的硅電力電子器件，開關(guān)頻率最高不過150kHz。

2014年上半年，安川電機在其量產(chǎn)的輸出功率為4.5kW的功率調(diào)節(jié)器中采用了GaN電力電子器件，該產(chǎn)品的特點是，與該公司原來的使用硅器件的4.5kW產(chǎn)品相比，輸出功率為4.5kW，轉(zhuǎn)換效率最大為98%，額定為97.5%，開關(guān)頻率為40k～50kHz，體積減少了40%左右，電力損失可減少一半[18]，如圖10。

在消費電子領(lǐng)域，三星電子的音響產(chǎn)品D級放大器采用了IR生產(chǎn)的耐壓為100V的GaN功率器件，實現(xiàn)了更高效率和更小體積[19]，如圖11。

三、GaN功率器件存在的問題

盡管目前GaN器件取得了巨大進步并且逐步進入市場，但其依舊存在許多不可忽視的問題，要真正取代硅技術(shù)成為主流，仍需很大的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，主要存在以下幾個問題：

1.在材料生長方面

高品質(zhì)的外延材料是GaN基功率器件的技術(shù)核心，與硅相比，SiC和藍(lán)寶石晶格失配更小，且熱導(dǎo)率更低，對于大功率器件而言，這些都是不可或缺的優(yōu)點[20]，但讓其實用化的瓶頸是其成本過高，雖然硅與GaN的晶格失配較大，但其成本低廉，故硅襯底依舊是現(xiàn)在GaN基功率器件的主流技術(shù)。并且，由于其異質(zhì)結(jié)構(gòu)，GaN功率器件以橫向結(jié)構(gòu)偏多，盡管這樣使其在高頻領(lǐng)域得到了青睞，但這就限制了它的大功率特性，目前行業(yè)內(nèi)共識是GaN更適合應(yīng)用于中低壓高速開關(guān)領(lǐng)域（<1.2kV），如功率因數(shù)校正器（PFC）、白色家電等[2]。

2.在器件技術(shù)方面

在器件技術(shù)方面，主要存在3個問題，第一是提高其耐壓，第二是制作常閉型（增強型）器件，第三是電流崩塌效應(yīng)抑制的問題。

提高耐壓是制作功率器件首先要考慮的問題，一方面這與GaN本身的材料特性有聯(lián)系，另一方面這也與器件結(jié)構(gòu)、襯底質(zhì)量等因素密切相關(guān)，因此當(dāng)前提高器件擊穿電壓的方案主要集中在以下3個方向：改進襯底結(jié)構(gòu)、改進緩沖層結(jié)構(gòu)、改進器件結(jié)構(gòu)[21]。

其次，是制作常閉型（增強型）器件。與耗盡型器件不同的是，增強型器件無需在柵上加偏壓就可以實現(xiàn)器件的常閉，這對于功率開關(guān)系統(tǒng)而言意味著可以確保系統(tǒng)的安全操作并且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定型，業(yè)界目前普遍采用槽柵、p-GaN柵或P-AlGaN柵（圖12）和氟離子注入等方法直接實現(xiàn)增強型。2006年，Wataru Saito等人利用槽柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了常閉型HEMT的制作，它是利用控制槽柵刻蝕深度來控制柵壓對二維電子氣的控制，實現(xiàn)了閾值電壓-0.14V，導(dǎo)通電阻4mΩ·cm2，擊穿電壓435V[22]。2013年5月，Injun Hwang等人利用P-GaN柵的方式實現(xiàn)了閾值電壓從0.93V到2.44V的上升[23]。盡管如此，該技術(shù)并不是特別成熟，在可靠性方面依舊存在很大的隱患，在GaN基功率器件處于國際領(lǐng)先地位的Transphorm公司已經(jīng)實現(xiàn)常閉型HEMT的商用化，圖13是Transphorm最新GaN常閉型HEMT產(chǎn)品，采用TO-200封裝，耐壓達(dá)到600V，工作電流17A，導(dǎo)通電阻0.15Ω，是目前市面上耐壓做到較高的產(chǎn)品之一[12]。

最后就是電流崩塌效應(yīng)的抑制，表現(xiàn)為在漏極上加一較大偏壓時，漏電流發(fā)生退化的現(xiàn)象[24，25]（見圖14）。業(yè)界抑制電流崩塌的方法主要有以下幾種：①表面鈍化處理[26-28]，鈍化雖然可以很好地抑制電流崩塌，但也會產(chǎn)生一些負(fù)面影響，對器件的柵極漏電流和截止頻率都有影響，并且增加了器件的散熱問題。Md.Tanvir Hasan[26]小組研究了生長SiN鈍化層對HEMT器件電流崩塌效應(yīng)的影響，實驗研究了SiN鈍化層的淀積溫度以及退火溫度對器件導(dǎo)通電阻的影響，結(jié)果顯示電流崩塌效應(yīng)隨著SiN淀積溫度的升高以及退火溫度的升高而改善，表明了SiN/AlGaN表面陷阱密度隨著濺射SiN的溫度和退火溫度的升高而減少。②場板結(jié)構(gòu)[29，30]，場板是指與金屬連在一起的金屬板，場板結(jié)構(gòu)的引入可以很好地改善電極下電場的分布，從而抑制電流崩塌。WataruSaito[29]小組研究了4種不同結(jié)構(gòu)的場板（單源場板、雙源場板、單柵場板、源柵場板）對AlGaN/GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)的改善，通過分析場板的引入對電極下電場分布的影響來分析場板對電流崩塌效應(yīng)的影響，實驗表明由電流崩塌效應(yīng)引起的導(dǎo)通電阻的上升可以有效地被單柵場板以及源柵場板抑制，因為柵場板可以減小柵邊緣的電場，而源柵場板則可以更有效地抑制電流崩塌效應(yīng)，因為源柵場板不僅改善了柵邊緣的電場分布，同時也改善了場板邊緣的電場分布。中科院蘇州納米所納米加工平臺對高壓大功率AlGaN/GaN HEMT開展了系統(tǒng)的研究，在國際上首次提出并制備了新穎的雙柵HEMT器件（見圖15）。通過雙柵結(jié)構(gòu)中的頂柵電極（Top-Gate）模擬分析了源場板和柵場板對器件動態(tài)特性的改善原理。研究發(fā)現(xiàn)，靠近柵端的電流崩塌對器件的開啟時間影響較大，靠近漏端的電流崩塌對器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響較大[31]。③生長P型帽層[32]，帽層是指在AlGaN層上再生長一層較薄的P-GaN帽層，然后在其上制作電極，實驗表明，帽層的引入可以很好地改善電流崩塌效應(yīng)，該方法材料生長過程相對簡單，易控制，但是增加了工藝難度，如柵極制作過程比較復(fù)雜（見圖16）。④勢壘層摻雜，該方法增加了溝道電子濃度，或者減少了勢壘層表面態(tài)密度，一般此種器件都生長了一薄層未摻雜的GaN或AlGaN帽層[16]。

四、結(jié)語

半導(dǎo)體材料的進步在產(chǎn)業(yè)革新以及技術(shù)創(chuàng)新中扮演了重要的角色，對人類的社會生活有著極其重要的影響，GaN材料禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿電場高、飽和電子遷移速率高，在應(yīng)用上可以做到高擊穿電壓、耐高溫、低導(dǎo)通損耗、高輸出功率以及低成本，在電力電子、微波通信、光伏逆變、照明等應(yīng)用領(lǐng)域具有另外2代材料無法比擬的優(yōu)勢，具有重大的戰(zhàn)略意義，相信在不久的將來GaN作為第3代半導(dǎo)體材料中優(yōu)秀代表會得到更廣泛的應(yīng)用。

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