GaN功率器件将成功率电子应用首选技术方案

GaN功率器件将成功率电子应用首选技术方案

　　3 技术发展现状

　　3.1 GaN-on-Si材料

　　目前，4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化，一些科研机构和公司相继报道了8英寸GaN-on-Si晶圆的研究成果[2，3]。2012年新加坡IMRE报道了200mm AlGaN/GaN-on –Si(111)晶圆。同年，新加坡The Institute of Microelectronics 和荷兰NXP宣布合作开发了200mm GaN-on-Si晶圆及功率器件技术。比利时IMEC、美国IR、美国IQE、日本Dowa和德国Azzurro等公司也正在开发200mm GaN-on-Si外延技术。

　　现在4英寸及以上的大直径硅衬底上生长GaN外延技术正在快速发展并终会走向成熟，目前面临的主要问题如下：一是失配问题，硅衬底与GaN之间存在晶格常数失配、热膨胀系数失配和晶体结构失配。二是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。三是硅衬底上Si原子的扩散问题，降低了外延层的晶体质量。

　　3.2 器件技术

　　3.2.1提高击穿电压

　　理论上在相同击穿电压下，GaN功率器件比Si和SiC功率器件的导通电阻更低，但是目前其性能远未达到理论值。研究发现主要原因是器件源漏间通过纵向贯通GaN缓冲层，沿Si衬底与GaN缓冲层界面形成了漏电[4]。因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在以下三个方向： (1)改进衬底结构;(2)改进缓冲层结构;(3)改进器件结构。

　　3.2.2 实现增强型(常关型)器件

　　基于AlGaN/GaN结构的器件是耗尽型(常开型)器件，而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等，是功率系统中的首选器件。因此，对于GaN功率器件而言，增强型器件实现也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用凹槽栅、p-GaN栅和氟离子注入等方法直接实现增强型，另外，使用Cascode级连技术间接实现常关型。

　　3.2.3 抑制电流崩塌效应

　　抑制电流崩塌的方法主要有以下几种：(1)表面钝化，表面钝化的问题是钝化工艺比较复杂，重复性较低，并不能完全消除电流崩塌效应，对器件的栅极漏电流和截止频率有影响，增加了器件的散热问题。(2)场板，2011年，美国HRL用三场板结构结合SiN钝化，实现了高耐压低动态电阻的Si基GaN功率器件，开关速度5us测试状态下，器件350V时动态与静态Ron之比1.2，600V时两者之比1.6[5]。(3)生长冒层，如使用 p型GaN冒层来离化的受主杂质形成负空间电荷层，屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响。该方法材料生长过程相对简单，易控制，但是增加了工艺难度，如栅极制作过程比较复杂。(4)势垒层掺杂，该方法增加了沟道电子浓度，或者减少了势垒层表面态密度，一般此种器件都生长了一薄层未掺杂的GaN或AlGaN冒层。

　　3.2.4 制造工艺

　　GaN功率器件制造工艺与现有Si制造工艺兼容，是促进GaN功率器件产业化和广泛应用一个重要因素。开发与现有Si制造工艺兼容的GaN功率器件制造工艺的关键在于开发无金工艺。2012年，在ISPSD年会上IMEC报道了在8英寸GaN-on-Si晶圆上通过CMOS兼容无金工艺结合凹栅工艺制造的增强型GaN功率晶体管[6]。2012年，在ISPSD年会上IMB-CNM-CSIC报道了在4英寸Si上使用CMOS兼容无金工艺制作了MIS-HEMT和i-HEMT[7]。开发无金工艺最近几年受到了学术界和工业界的极大关注，是降低成本以实现大批量生产和大规模商业化应用的重要途径。

　　3.3 功率集成技术

　　形成独立且完整的包括GaN功率核心器件、器件驱动、保护电路和周边无源器件在内的直接面对终端应用的功能性模块，是目前GaN功率器件的发展方向。高度集成化的GaN智能功率集成技术将实现传统Si功率芯片技术所达不到的高性能、高工作安全性、高速和高温承受能力。在发展GaN功率器件技术的基础上，开发功率集成技术正逐渐成为近年来GaN研究领域的另一个热点。2008年，美国IR公司发布了基于Si衬底的GaN POL转换器，输入电压12V，12A的负载电流时输出电压1.2V，工作频率6MHz。2009年，美国MIT报道了利用晶片键合和选择性刻蚀制备出Si-GaN-Si晶片 [8]。2009年，陈万军等人报道了GaN-on-Si开关模式Boost转换器，K Y Wong等人成功实现了高压功率器件和外围低压器件的单片集成[9]。2010年，Transphorm发布了分别基于AlGaN/GaN-on-Si和Si Sj-MOSFET的800KHz 220-400V Boost转换器。

　　3.4 可靠性

　　随着各项器件技术的不断进步，GaN器件已逐渐从实验室向工业界转移，可靠性已成为各界普遍关心的问题。相对于硅功率器件技术，GaN功率器件的可靠性和稳定性研究还相对滞后，器件退化规律、失效机制与模式、增强可靠性方法等虽有一些研究报告，但远不能满足器件走向大规模实际应用阶段的需要。

　　影响GaN功率器件可靠性的原因比较复杂，包括材料质量、器件结构和器件工艺等多个方面，根据功率器件的工作模式特点和工作环境，GaN功率器件的可靠性研究重点主要包括以下几点：(1)栅泄漏电流与表面状态;(2)栅金属退化;(3)高电场和高温下热电子/热声子效应;(4)材料质量。