GaN，走向高電壓

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隨著電力在越來越多的應用中取代化石燃料，系統設計人員需要能夠處理更高電源電壓以及更苛刻的短路和過電壓尖峰的開關和電源轉換器。

寬帶隙半導體，例如氮化鎵（GaN），因其更高的擊穿強度和更高的導熱性，能夠支持高功率密度應用，而備受器件設計人員的關注。然而，它們在常見失效條件下的耐受能力尚未得到充分驗證。

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，其結構依賴于 GaN/AlGaN 異質結。兩種材料界面處的晶格應變會導致能帶結構不連續，從而形成二維電子氣 (2DEG)。載流子在該層內具有極高的遷移率（超過 1500 cm2 / V·s），而在其外部則具有極低的遷移率。在沒有外部偏置的情況下，2DEG 可以形成導電通路。

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，通常采用常關型增強模式工作。在功率器件中，這對于安全運行至關重要。多種不同的設計都已驗證了增強模式工作。其中最成功的設計之一是使用鎂摻雜的p-GaN柵極。它提高了勢壘層的表面電勢，即使在零偏壓下也能耗盡柵極區域的二維電子氣（2DEG）。

由于GaN/AlGaN異質結構依賴于晶格應變來限制二維電子氣（2DEG），因此精確的應變工程對于成功制造GaN功率器件至關重要。為了在硅襯底上獲得高質量、無裂紋或位錯的超晶格，制造商通常使用梯度AlGaN緩沖層，然后再沉積器件結構。這一要求反過來又意味著大多數GaN功率器件采用橫向結構和水平溝道。在硅和SiC功率器件中常見的垂直溝道在GaN中更難實現。

如果說制造器件級氮化鎵（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，用于低電壓、高密度功率電子器件。

通過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，芯片組的厚度應遠小于 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。沒有空間為控制器電路和類似組件配備單獨的 CMOS 芯片。

為了解決氮化鎵（GaN）質量和硅質量之間的權衡問題，這項研究利用統一的工藝設計套件，將硅PMOS層轉移到GaN N-MOS HEMT上。他們展示了一整套片上電路，包括多路復用器、反相器和環形振蕩器。據英特爾稱，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。當器件共用一個源極或通過同一襯底進行背柵連接時，尤其難以防止串擾。

例如，半橋電路是電力電子器件的基本元件，它包含一個高側開關和一個低側開關，它們的源極不同。當高側開關導通時，節點連接到正電源線；當低側開關導通時，節點接地。SOI和其他工程襯底可以為每個晶體管提供獨立的“島”，但這會增加成本和設計復雜性。類似地，雙向開關也常用于各種功率轉換器中。當兩個源極共用一個襯底時，串擾會降低器件的電阻。同樣，有源襯底控制電路也會增加成本和設計復雜性。

香港科技大學的鄭武及其同事試圖通過在同一異質結構中構建兩個二維電子氣（2DEG）通道來解決這個問題。他們的結構使用了兩對AlN/GaN（圖2），頂部是AlGaN層，再頂部是p-GaN柵極。堆疊結構中間的AlN層形成了一個空穴擴散通道，可以阻擋垂直方向的空穴傳輸。從p-GaN柵極注入的空穴會被掃到該層并復合消失，從而抑制串擾。

圖2：雙通道功率集成平臺的橫截面視圖和示意性帶狀圖

串擾雖然是一個嚴重的問題，但工業應用的功率器件還需要能夠承受短路和過壓條件。香港大學的一個研究小組提出，背柵效應可以通過減輕溝道內的電流擁擠來提高短路耐受能力。他們研制的雙向開關器件能夠承受重復的 30 微秒短路，遠遠超過典型設計所需的 10 微秒。他們的器件共用一個襯底。相比之下，采用獨立襯底的混合器件的短路耐受能力要低得多。

可靠性和界面質量

GaN/AlN界面對GaN器件性能的其他方面也至關重要。當采用MOVPE（金屬有機化學氣相外延）法沉積這些層時，意外摻入GaN層的碳會導致兩種材料之間出現AlGaN梯度。

旭化成株式會社的 T. Lee 及其同事使用三乙基鎵代替三甲基鎵作為鎵前驅體，抑制了碳的摻入，在此過程中，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，通過降低接觸電阻進一步改善了器件。

高場條件，例如短路和過壓事件，會加速溝道電子。這些“熱”電子尤其會對器件的接入區造成應力。據南方科技大學（深圳）的陳浩浩教授介紹，鎂作為p-GaN摻雜劑時，會擴散到AlGaN勢壘層中，并在那里形成深陷阱。陳教授的研究團隊采用選擇性外延技術，利用二氧化硅掩膜層在所需區域沉積p-GaN，而不會損傷下方的AlGaN層。他們的器件擊穿電壓達到了495 V，而傳統HEMT器件的擊穿電壓為321 V。采用選擇性外延技術的器件還表現出更高的應力可靠性和短路魯棒性。

在過電壓條件下，GaN HEMT 會發生破壞性擊穿失效。垂直硅和 SiC 器件能夠通過非破壞性的雪崩擊穿來承受過電壓尖峰。而橫向 GaN HEMT 則傾向于發生破壞性擊穿。Jingjing Yu 及其同事指出，如果沒有 PN 結，這些器件可能無法有效地去除碰撞電離產生的載流子。作為一種替代方案，他們使用減薄的 p-GaN 層來定義穿通柵極（圖 3）。在關斷狀態下，耗盡區從漏極側開始，并向源極側擴展。一旦該層完全耗盡，電流就可以穿透到二維電子氣（2DEG）層，從而實現非破壞性失效。

圖 3：所提出的穿通式 HEMT 設計，附橫截面圖

結論

氮化鎵基功率器件目前已成為消費電子產品充電器等低壓應用的首選技術。相比之下，工業應用面臨著更為嚴苛的應力環境，需要器件具備抗短路和高壓瞬變的能力。雖然創新的器件設計和工藝優化正在逐步解決這些問題，但仍有許多工作要做。

（來源 ：編譯自semiengineering ）

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