GaN，走向高電壓

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隨著電力在越來(lái)越多的應(yīng)用中取代化石燃料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要能夠處理更高電源電壓以及更苛刻的短路和過(guò)電壓尖峰的開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器。

寬帶隙半導(dǎo)體，例如氮化鎵（GaN），因其更高的擊穿強(qiáng)度和更高的導(dǎo)熱性，能夠支持高功率密度應(yīng)用，而備受器件設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。然而，它們?cè)诔Ｒ娛l件下的耐受能力尚未得到充分驗(yàn)證。

高電子遷移率晶體管 (HEMT) 是氮化鎵 (GaN) 功率器件的基本組成單元，其結(jié)構(gòu)依賴于 GaN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)。兩種材料界面處的晶格應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)不連續(xù)，從而形成二維電子氣 (2DEG)。載流子在該層內(nèi)具有極高的遷移率（超過(guò) 1500 cm2 / V·s），而在其外部則具有極低的遷移率。在沒(méi)有外部偏置的情況下，2DEG 可以形成導(dǎo)電通路。

因此，最基本的HEMT器件是常開型耗盡模式器件。在硅邏輯電路中，為了降低功耗，通常采用常關(guān)型增強(qiáng)模式工作。在功率器件中，這對(duì)于安全運(yùn)行至關(guān)重要。多種不同的設(shè)計(jì)都已驗(yàn)證了增強(qiáng)模式工作。其中最成功的設(shè)計(jì)之一是使用鎂摻雜的p-GaN柵極。它提高了勢(shì)壘層的表面電勢(shì)，即使在零偏壓下也能耗盡柵極區(qū)域的二維電子氣（2DEG）。

由于GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)依賴于晶格應(yīng)變來(lái)限制二維電子氣（2DEG），因此精確的應(yīng)變工程對(duì)于成功制造GaN功率器件至關(guān)重要。為了在硅襯底上獲得高質(zhì)量、無(wú)裂紋或位錯(cuò)的超晶格，制造商通常使用梯度AlGaN緩沖層，然后再沉積器件結(jié)構(gòu)。這一要求反過(guò)來(lái)又意味著大多數(shù)GaN功率器件采用橫向結(jié)構(gòu)和水平溝道。在硅和SiC功率器件中常見的垂直溝道在GaN中更難實(shí)現(xiàn)。

如果說(shuō)制造器件級(jí)氮化鎵（GaN）本身就十分困難，那么將其與其他材料集成就更加困難了。然而，正如英特爾晶圓代工中心的韓偉（Han Wui Then）及其同事所解釋的那樣，這恰恰是許多應(yīng)用所需要的。英特爾晶圓代工中心展示了一種基于硅基氮化鎵（GaN-on-silicon）的芯片平臺(tái)，用于低電壓、高密度功率電子器件。

通過(guò)減小電路元件之間的距離，芯片組可以降低電阻損耗并加快開關(guān)速度。另一方面，為了最大限度地降低電阻損耗并提高散熱效率，芯片組的厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于 50 微米。此外，硅電路元件需要與氮化鎵 (GaN) 元件位于同一芯片上。沒(méi)有空間為控制器電路和類似組件配備單獨(dú)的 CMOS 芯片。

為了解決氮化鎵（GaN）質(zhì)量和硅質(zhì)量之間的權(quán)衡問(wèn)題，這項(xiàng)研究利用統(tǒng)一的工藝設(shè)計(jì)套件，將硅PMOS層轉(zhuǎn)移到GaN N-MOS HEMT上。他們展示了一整套片上電路，包括多路復(fù)用器、反相器和環(huán)形振蕩器。據(jù)英特爾稱，這些器件厚度僅為19微米，是目前世界上最薄的GaN芯片。

圖 1：透射電鏡圖像顯示了與硅 PMOS 單片集成的 GaN N-MOS HEMT

隔離與集成

雖然提高器件密度可以降低電阻損耗，但卻增加了器件間隔離的難度。當(dāng)器件共用一個(gè)源極或通過(guò)同一襯底進(jìn)行背柵連接時(shí)，尤其難以防止串?dāng)_。

例如，半橋電路是電力電子器件的基本元件，它包含一個(gè)高側(cè)開關(guān)和一個(gè)低側(cè)開關(guān)，它們的源極不同。當(dāng)高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接到正電源線；當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)接地。SOI和其他工程襯底可以為每個(gè)晶體管提供獨(dú)立的“島”，但這會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。類似地，雙向開關(guān)也常用于各種功率轉(zhuǎn)換器中。當(dāng)兩個(gè)源極共用一個(gè)襯底時(shí)，串?dāng)_會(huì)降低器件的電阻。同樣，有源襯底控制電路也會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

香港科技大學(xué)的鄭武及其同事試圖通過(guò)在同一異質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建兩個(gè)二維電子氣（2DEG）通道來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。他們的結(jié)構(gòu)使用了兩對(duì)AlN/GaN（圖2），頂部是AlGaN層，再頂部是p-GaN柵極。堆疊結(jié)構(gòu)中間的AlN層形成了一個(gè)空穴擴(kuò)散通道，可以阻擋垂直方向的空穴傳輸。從p-GaN柵極注入的空穴會(huì)被掃到該層并復(fù)合消失，從而抑制串?dāng)_。

圖2：雙通道功率集成平臺(tái)的橫截面視圖和示意性帶狀圖

串?dāng)_雖然是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但工業(yè)應(yīng)用的功率器件還需要能夠承受短路和過(guò)壓條件。香港大學(xué)的一個(gè)研究小組提出，背柵效應(yīng)可以通過(guò)減輕溝道內(nèi)的電流擁擠來(lái)提高短路耐受能力。他們研制的雙向開關(guān)器件能夠承受重復(fù)的 30 微秒短路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)典型設(shè)計(jì)所需的 10 微秒。他們的器件共用一個(gè)襯底。相比之下，采用獨(dú)立襯底的混合器件的短路耐受能力要低得多。

可靠性和界面質(zhì)量

GaN/AlN界面對(duì)GaN器件性能的其他方面也至關(guān)重要。當(dāng)采用MOVPE（金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延）法沉積這些層時(shí)，意外摻入GaN層的碳會(huì)導(dǎo)致兩種材料之間出現(xiàn)AlGaN梯度。

旭化成株式會(huì)社的 T. Lee 及其同事使用三乙基鎵代替三甲基鎵作為鎵前驅(qū)體，抑制了碳的摻入，在此過(guò)程中，他們幾乎將 2DEG 密度提高了一倍，并將薄層電阻降低了近 4 倍。在 AlN 阻擋層中蝕刻凹槽，通過(guò)降低接觸電阻進(jìn)一步改善了器件。

高場(chǎng)條件，例如短路和過(guò)壓事件，會(huì)加速溝道電子。這些“熱”電子尤其會(huì)對(duì)器件的接入?yún)^(qū)造成應(yīng)力。據(jù)南方科技大學(xué)（深圳）的陳浩浩教授介紹，鎂作為p-GaN摻雜劑時(shí)，會(huì)擴(kuò)散到AlGaN勢(shì)壘層中，并在那里形成深陷阱。陳教授的研究團(tuán)隊(duì)采用選擇性外延技術(shù)，利用二氧化硅掩膜層在所需區(qū)域沉積p-GaN，而不會(huì)損傷下方的AlGaN層。他們的器件擊穿電壓達(dá)到了495 V，而傳統(tǒng)HEMT器件的擊穿電壓為321 V。采用選擇性外延技術(shù)的器件還表現(xiàn)出更高的應(yīng)力可靠性和短路魯棒性。

在過(guò)電壓條件下，GaN HEMT 會(huì)發(fā)生破壞性擊穿失效。垂直硅和 SiC 器件能夠通過(guò)非破壞性的雪崩擊穿來(lái)承受過(guò)電壓尖峰。而橫向 GaN HEMT 則傾向于發(fā)生破壞性擊穿。Jingjing Yu 及其同事指出，如果沒(méi)有 PN 結(jié)，這些器件可能無(wú)法有效地去除碰撞電離產(chǎn)生的載流子。作為一種替代方案，他們使用減薄的 p-GaN 層來(lái)定義穿通柵極（圖 3）。在關(guān)斷狀態(tài)下，耗盡區(qū)從漏極側(cè)開始，并向源極側(cè)擴(kuò)展。一旦該層完全耗盡，電流就可以穿透到二維電子氣（2DEG）層，從而實(shí)現(xiàn)非破壞性失效。

圖 3：所提出的穿通式 HEMT 設(shè)計(jì)，附橫截面圖

結(jié)論

氮化鎵基功率器件目前已成為消費(fèi)電子產(chǎn)品充電器等低壓應(yīng)用的首選技術(shù)。相比之下，工業(yè)應(yīng)用面臨著更為嚴(yán)苛的應(yīng)力環(huán)境，需要器件具備抗短路和高壓瞬變的能力。雖然創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化正在逐步解決這些問(wèn)題，但仍有許多工作要做。

（來(lái)源 ：編譯自semiengineering ）

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