氮化鎵最先落地的應(yīng)用是低壓消費電子產(chǎn)品，面向工業(yè)場景的產(chǎn)品仍有待進(jìn)一步研發(fā)優(yōu)化。

隨著電力在越來越多應(yīng)用場景中逐步替代化石能源，系統(tǒng)設(shè)計人員亟需可適配更高輸入電壓、耐受嚴(yán)苛短路與過電壓尖峰的功率開關(guān)器件與變流器。氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體憑借更高的擊穿場強與導(dǎo)熱系數(shù)，可實現(xiàn)高功率密度產(chǎn)品，因此備受器件設(shè)計者青睞。但這類器件耐受常規(guī)失效工況的性能，目前相關(guān)驗證仍不完善。

HEMT是氮化鎵功率器件的核心基礎(chǔ)單元，器件依托氮化鎵/鋁鎵氮異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制備。兩種材料接觸面的晶格應(yīng)變會造成能帶結(jié)構(gòu)突變，進(jìn)而生成二維電子氣（2DEG）。該薄層內(nèi)載流子遷移率可達(dá)1500平方厘米/(伏?秒)以上，而層外載流子遷移率極低；無外加偏壓時，二維電子氣便可形成導(dǎo)電通路。

由此，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的HEMT為常開型耗盡型器件。硅基邏輯電路優(yōu)先選用常關(guān)型增強型器件以降低功耗，而在功率器件領(lǐng)域，增強型結(jié)構(gòu)更是保障安全運行的必備條件。業(yè)內(nèi)現(xiàn)已研發(fā)出多款可實現(xiàn)增強型工作模式的器件架構(gòu)，其中采用鎂摻雜P型氮化鎵柵極的方案落地成效最佳：該結(jié)構(gòu)抬升勢壘層表面電勢，零偏壓條件下即可耗盡柵區(qū)的二維電子氣。

氮化鎵/鋁鎵氮異質(zhì)結(jié)依靠晶格應(yīng)變束縛二維電子氣，因此精準(zhǔn)的應(yīng)變調(diào)控是氮化鎵功率器件量產(chǎn)的關(guān)鍵。為在硅襯底上生長無裂紋、低位錯密度的高質(zhì)量超晶格，廠商一般先外延漸變組分鋁鎵氮緩沖層，再淀積器件功能層。受此工藝約束，現(xiàn)階段絕大多數(shù)氮化鎵功率器件采用橫向結(jié)構(gòu)與水平導(dǎo)電溝道；硅與碳化硅功率器件常用的縱向溝道結(jié)構(gòu)，在氮化鎵器件中難以實現(xiàn)。

即便制備單襯底高質(zhì)量氮化鎵難度較高，實現(xiàn)氮化鎵與其他半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成挑戰(zhàn)更大。但I(xiàn)ntel Foundry Han Wui Then及其團(tuán)隊指出，諸多終端應(yīng)用恰恰需要這類異構(gòu)集成方案。該課題組研發(fā)出基于硅基氮化鎵的芯粒平臺，面向低壓、高密度電力電子場景。

芯粒縮短元器件布線間距，能夠降低導(dǎo)通損耗、提升開關(guān)速率；但想要進(jìn)一步縮減阻性損耗、優(yōu)化散熱，芯粒厚度需控制在50微米以內(nèi)。與此同時，硅基控制電路必須和氮化鎵功率器件集成在同一晶圓，無法單獨外置CMOS裸片搭建控制器等配套電路。

為平衡氮化鎵外延質(zhì)量與硅基制程工藝，該研究采用統(tǒng)一工藝設(shè)計套件，將硅基PMOS薄膜轉(zhuǎn)移鍵合至氮化鎵N型MOSHEMT之上，并完成多路選擇器、反相器、環(huán)形振蕩器等全套片上電路庫的流片驗證。據(jù)英特爾披露，這批器件厚度僅19微米，是目前全球最薄的氮化鎵芯粒。

圖1：透射電鏡照片，單片集成硅PMOS的氮化鎵N-MOSHEMT

器件隔離與集成

提升器件集成密度可減小導(dǎo)通損耗，卻會加大器件間隔離難度。尤其當(dāng)器件共用源極、或依托同一襯底背柵控時，串?dāng)_問題尤為突出。

半橋電路是電力電子基礎(chǔ)拓?fù)洌稍礃O電位互不相同的上管、下管組成：上管導(dǎo)通時中間節(jié)點接電源正極，下管導(dǎo)通時節(jié)點接地。絕緣體上硅（SOI）等特種襯底可為單只管芯劃分獨立隔離區(qū)，但會抬升物料成本與設(shè)計難度。雙向開關(guān)廣泛應(yīng)用于各類變流器，若兩只開關(guān)共用襯底，襯底串?dāng)_會劣化器件導(dǎo)通電阻；加裝有源襯底調(diào)控電路同樣會增加成本與設(shè)計復(fù)雜度。

香港科技大學(xué)Zheng Wu團(tuán)隊在同一異質(zhì)結(jié)內(nèi)制備雙二維電子氣溝道，以此攻克上述難題。器件采用雙層氮化鋁/氮化鎵堆疊結(jié)構(gòu)，頂層依次生長鋁鎵氮勢壘層與P型氮化鎵柵極；堆疊層中間的氮化鋁層形成空穴擴展溝道，阻斷空穴縱向輸運。自P型氮化鎵柵極注入的空穴被掃入該中間層并復(fù)合湮滅，以此抑制器件串?dāng)_。

圖2：雙溝道功率集成平臺截面圖與能帶示意圖

除串?dāng)_問題外，工業(yè)級功率器件還需具備抗短路、抗過電壓沖擊能力。香港大學(xué)研究團(tuán)隊提出，背柵調(diào)控效應(yīng)可緩解溝道電流集聚現(xiàn)象，提升器件抗短路能力。其研制的共襯底雙向開關(guān)可耐受單次30微秒的反復(fù)短路沖擊，遠(yuǎn)超行業(yè)常規(guī)10微秒的設(shè)計指標(biāo)；反觀襯底分離的混合架構(gòu)器件，抗短路性能大幅衰減。

可靠性與界面品質(zhì)

氮化鎵/氮化鋁界面質(zhì)量同樣左右氮化鎵器件綜合性能。采用金屬有機氣相外延（MOVPE）制備膜層時，碳元素非刻意摻雜進(jìn)入氮化鎵層，會在兩種材料界面形成鋁鎵氮組分漸變層。

旭化成T.Lee團(tuán)隊改用三乙基鎵替代傳統(tǒng)三甲基鎵作為鎵源，抑制碳雜質(zhì)摻入，使二維電子氣面密度近乎翻倍、方塊電阻降至原先四分之一；在氮化鋁勢壘層開槽刻蝕進(jìn)一步優(yōu)化接觸電阻，改善器件電學(xué)性能。

短路、過電壓等高場工況會加速溝道內(nèi)電子形成熱電子，重點損傷器件接入?yún)^(qū)。南方科技大學(xué)Haohao Chen指出：P型氮化鎵摻雜劑鎂元素易擴散進(jìn)入鋁鎵氮勢壘層，形成深能級陷阱。該團(tuán)隊采用二氧化硅掩膜選擇性外延工藝，僅在目標(biāo)區(qū)域生長P型氮化鎵，避免底層鋁鎵氮層受損；成品器件擊穿電壓達(dá)495伏，常規(guī)HEMT僅321伏，同時器件高溫耐久與抗短路可靠性同步提升。

過電壓沖擊易造成氮化鎵橫向HEMT不可逆擊穿損毀；硅、碳化硅縱向器件可依托雪崩擊穿實現(xiàn)非破壞性泄流。橫向氮化鎵器件無PN結(jié)結(jié)構(gòu)，Jingjing Yu團(tuán)隊認(rèn)為其無法有效泄放碰撞電離生成的載流子。為此該團(tuán)隊減薄P型氮化鎵柵極，設(shè)計穿通型柵極（PT-gate）器件，如圖3所示：器件關(guān)斷時耗盡區(qū)自漏端向源端延展，勢壘層完全耗盡后電流可穿通至二維電子氣溝道，實現(xiàn)安全非破壞性擊穿。

圖3：新型穿通型HEMT結(jié)構(gòu)設(shè)計及剖面示意圖

結(jié)語

目前氮化鎵功率器件已是消費電子充電器等低壓場景的主流方案。但工業(yè)領(lǐng)域工況應(yīng)力嚴(yán)苛，器件必須耐受頻繁短路與高壓瞬變沖擊。各類創(chuàng)新器件架構(gòu)與工藝改良方案不斷落地，但氮化鎵功率器件工業(yè)化完善仍有大量研發(fā)工作待推進(jìn)。

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