第3代半导体氮化镓功率器件的发展现状和展望

曹峻松 徐儒 郭伟玲

一、引言

电力电子技术在人类的生产生活中扮演着重要的角色，日常生活中的家用电源到工业生产、电气化交通、新能源技术，电力电子技术无所不在。现如今，世界能源的40%是由电力能源构成[1]，因此，它的进步和革新是推动人类社会發展的重要力量。

在电力电子设备中，高效的电力转换是通过电力电子开关或整流器件来实现的，这些器件的性能好坏会直接影响到整个电力电子设备的工作效率，为实现更高效的电力转换，就需要对电力电子器件提出更高的性能要求，如更低的导通损耗、耐高温、高性能的导热能力等。现在，这些电力电子设备大部分是基于发展成熟的硅技术，从最初的晶闸管、二极管、双极型晶体管、功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）到最新的超结MOSFET和绝缘三双级功率管（GBT），功率半导体器件已经发展了近60年的时间，器件性能已经达到了硅材料的极限，它已经无法满足现如今电力电子产业对器件阻断电压、散热、工作温度、电力转换效率等各方面的要求[2]。尽管目前已经报道了耐压达到6.5kV的功率硅基IGBT[3]。但囿于硅材料本身的材料局限，还没有任何一款硅基器件可以工作在200℃以上[1]，基于此，第3代半导体应运而出，这其中主要的代表是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），这2种材料目前是应用最广泛的第3代半导体材料。

GaN功率元件与SiC功率元件今后将“各司其职”。SiC主要用于需要处理较大电力的耐压600V以上的用途。而GaN功率元件预计主要用于耐压在600V以下，或要求数百kHz以上高速开关的用途。

第3代半导体材料拥有硅材料无法比拟的材料性能优势，从决定器件性能的禁带宽度、热导率、击穿电场等特性来看，第3代半导体均比硅材料优秀，因此，第3代半导体的引入可以很好地解决现如今硅材料的不足，改善器件的散热、导通损耗、高温、高频等特性，被誉为光电子和微电子等产业新的发动机。

二、氮化镓功率器件

GaN具有广泛的应用性，被认为是继硅之后最重要的半导体材料之一。GaN功率器件同当前广泛应用的硅基功率器件相比，具有更高的临界电场强度，更低的开态电阻，更快的开关频率，可以实现更高的系统效率以及在高温下工作[4]。

1.基本结构

目前应用较多的GaN功率器件主要是横向器件，其中的代表是肖特基二极管（SBD）以及高电子迁移率场效应晶体管（HEMT），它们主要是利用氮化镓铝（AlGaN）/GaN处异质结处由于极化效应产生的二维电子气（2-DEG）来工作（图1）。在 AlGaN和GaN结面处，由于它们的禁带宽度不同，能带发生突变，由此产生的极化效应使界面处产生准三角型势阱，大量电子被限制在该势阱内，它们在垂直于异质结界面的方向上是量子化的，而在平行于异质结界面的方向上是可以自由运动的，这就是二维电子气[5]。它具有极高的浓度和电子迁移率，这使得AlGaN/GaN异质结结构成为制作GaN基横向器件的最佳选择。

GaN可以生长在硅（Si）、SiC以及蓝宝石（Al2O3）上。目前，绝大多数已经报道的GaN基功率器件是在硅衬底上进行生长的[6]。4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化，8英寸的GaN-on-Si外延片也已经由东芝生产成功[7]，图2是最传统的GaN HEMT结构。

2.GaN功率器件的市场发展

GaN基功率器件的市场化方面，美国和日本处于前列。在美国，2010年IR（美国国际整流器公司）推出了第一款GaN商用集成功率级产品iP2010和iP2011，采用了氮化镓（GaN）功率器件技术平台GaNpowIR。iP2010和iP2011集成了超快速PowIRtune栅极驱动芯片，及一个单片多开关氮化镓功率器件。这些器件贴装在一个倒装芯片封装平台上，可带来比硅集成功率级器件更高的效率和2倍以上的开关频率[8]。紧接着，EPC公司也推出了自己的GaN系列产品，其最高耐压达到了300V，导通电阻150mΩ，尺寸1.95mm×1.95mm[9]。2013年上半年，日本松下和夏普公司相继推出了耐压600V的肖特基二极管产品[10，11]。接下来，MicroGaN、Transphorm等公司推出了自己的GaN功率器件产品，耐压最高达到了1 200V，这其中，Transphorm处于行业的前列，其最新产品包括耐压600V的一系列常闭型HEMT产品，以及集成的功率模组和演示板，可广泛运用于如小功率光伏逆变、电机驱动、功率因数校正器等电力电子产品[12]。其发展历程如图3[13]。

国内，中国电子科技集团第十三研究所、中国电子科技集团第五十五所及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（以下简称“中科院苏州纳米所纳米”）在GaN器件的研发中均取得了突破性的成果；而在市场化方面，苏州能讯高能半导体有限公司公司则处于国内的领先地位，其已经发布了氮化镓微波功放晶体管产品。这款产品工作频率范围为2.5G～2.7GHz，供电电压为48V，饱和功率为200W。在WCDMA（带DPD）测试条件下，其输出功率达40W，ACLR小于-50dBc，效率高达33%，见图4。

3.GaN功率器件的应用

由于GaN器件优异的性能和将来可能低廉的成本，最近，其在电力电子领域的应用取得了较大突破。知名市场调查公司IMS的调查报告预计[14]，2015年-2020年，GaN功率器件的应用市场空间突飞猛进，将由不到1亿美元发展到近8亿美元（见图5），主要应用领域集中在中小功率供电方面，如PFC、POL等。

2014年5月GaN Systems推出了倒装级联结构的增强型器件，采用PQFN封装，封装总电感小至0.6nH，100V器件的导通电阻低至5mΩ·cm2。2014年3月Yaskawa推出4.5kW逆变器，相比于使用硅器件，该逆变器体积缩小了40%，电力损失降低了一半。2014年6月，松下开发出了GaN功率晶体管并将其运用于PFC电路以及12V降至1.2V的POL（Point Of Load）转换器，大大提高了它们的转换效率，开关频率为2MHz时为90%，开关频率为5MHz时为81%[15]（图6）。

2014年7月，Transphorm公司展示了用其耐压600V的GaN HEMT器件搭建的1kW单相变频器（如图7），它可被廣泛运用于太阳能光伏逆变器和电机驱动中，其峰值效率超过了98.6%[16]；与此同时，IR公司则展出了将6个GaN功率器件构成的3相变频器电路集成于小型封装内的变频器模组“μIPM”（如图8）。此外，该公司还展出了使用600VGaN电力电子器件的500W升压转换器，其开关频率为2.5MHz，效率高达97%[17]，如图9。而使用同级别耐压的硅电力电子器件，开关频率最高不过150kHz。

2014年上半年，安川电机在其量产的输出功率为4.5kW的功率调节器中采用了GaN电力电子器件，该产品的特点是，与该公司原来的使用硅器件的4.5kW产品相比，输出功率为4.5kW，转换效率最大为98%，额定为97.5%，开关频率为40k～50kHz，体积减少了40%左右，电力损失可减少一半[18]，如图10。

在消费电子领域，三星电子的音响产品D级放大器采用了IR生产的耐压为100V的GaN功率器件，实现了更高效率和更小体积[19]，如图11。

三、GaN功率器件存在的问题

尽管目前GaN器件取得了巨大进步并且逐步进入市场，但其依旧存在许多不可忽视的问题，要真正取代硅技术成为主流，仍需很大的挑战。总的来说，主要存在以下几个问题：

1.在材料生长方面

高品质的外延材料是GaN基功率器件的技术核心，与硅相比，SiC和蓝宝石晶格失配更小，且热导率更低，对于大功率器件而言，这些都是不可或缺的优点[20]，但让其实用化的瓶颈是其成本过高，虽然硅与GaN的晶格失配较大，但其成本低廉，故硅衬底依旧是现在GaN基功率器件的主流技术。并且，由于其异质结构，GaN功率器件以横向结构偏多，尽管这样使其在高频领域得到了青睐，但这就限制了它的大功率特性，目前行业内共识是GaN更适合应用于中低压高速开关领域（<1.2kV），如功率因数校正器（PFC）、白色家电等[2]。

2.在器件技术方面

在器件技术方面，主要存在3个问题，第一是提高其耐压，第二是制作常闭型（增强型）器件，第三是电流崩塌效应抑制的问题。

提高耐压是制作功率器件首先要考虑的问题，一方面这与GaN本身的材料特性有联系，另一方面这也与器件结构、衬底质量等因素密切相关，因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在以下3个方向：改进衬底结构、改进缓冲层结构、改进器件结构[21]。

其次，是制作常闭型（增强型）器件。与耗尽型器件不同的是，增强型器件无需在栅上加偏压就可以实现器件的常闭，这对于功率开关系统而言意味着可以确保系统的安全操作并且提高系统的稳定型，业界目前普遍采用槽栅、p-GaN栅或P-AlGaN栅（图12）和氟离子注入等方法直接实现增强型。2006年，Wataru Saito等人利用槽栅结构实现了常闭型HEMT的制作，它是利用控制槽栅刻蚀深度来控制栅压对二维电子气的控制，实现了阈值电压-0.14V，导通电阻4mΩ·cm2，击穿电压435V[22]。2013年5月，Injun Hwang等人利用P-GaN栅的方式实现了阈值电压从0.93V到2.44V的上升[23]。尽管如此，该技术并不是特别成熟，在可靠性方面依旧存在很大的隐患，在GaN基功率器件处于国际领先地位的Transphorm公司已经实现常闭型HEMT的商用化，图13是Transphorm最新GaN常闭型HEMT产品，采用TO-200封装，耐压达到600V，工作电流17A，导通电阻0.15Ω，是目前市面上耐压做到较高的产品之一[12]。

最后就是电流崩塌效应的抑制，表现为在漏极上加一较大偏压时，漏电流发生退化的现象[24，25]（见图14）。业界抑制电流崩塌的方法主要有以下几种：①表面钝化处理[26-28]，钝化虽然可以很好地抑制电流崩塌，但也会产生一些负面影响，对器件的栅极漏电流和截止频率都有影响，并且增加了器件的散热问题。Md.Tanvir Hasan[26]小组研究了生长SiN钝化层对HEMT器件电流崩塌效应的影响，实验研究了SiN钝化层的淀积温度以及退火温度对器件导通电阻的影响，结果显示电流崩塌效应随着SiN淀积温度的升高以及退火温度的升高而改善，表明了SiN/AlGaN表面陷阱密度随着溅射SiN的温度和退火温度的升高而减少。②场板结构[29，30]，场板是指与金属连在一起的金属板，场板结构的引入可以很好地改善电极下电场的分布，从而抑制电流崩塌。WataruSaito[29]小组研究了4种不同结构的场板（单源场板、双源场板、单栅场板、源栅场板）对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的改善，通过分析场板的引入对电极下电场分布的影响来分析场板对电流崩塌效应的影响，实验表明由电流崩塌效应引起的导通电阻的上升可以有效地被单栅场板以及源栅场板抑制，因为栅场板可以减小栅边缘的电场，而源栅场板则可以更有效地抑制电流崩塌效应，因为源栅场板不仅改善了栅边缘的电场分布，同时也改善了场板边缘的电场分布。中科院苏州纳米所纳米加工平台对高压大功率AlGaN/GaN HEMT开展了系统的研究，在国际上首次提出并制备了新颖的双栅HEMT器件（见图15）。通过双栅结构中的顶栅电极（Top-Gate）模拟分析了源场板和栅场板对器件动态特性的改善原理。研究发现，靠近栅端的电流崩塌对器件的开启时间影响较大，靠近漏端的电流崩塌对器件的动态导通电阻影响较大[31]。③生长P型帽层[32]，帽层是指在AlGaN层上再生长一层较薄的P-GaN帽层，然后在其上制作电极，实验表明，帽层的引入可以很好地改善电流崩塌效应，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（见图16）。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帽层[16]。

四、结语

半导体材料的进步在产业革新以及技术创新中扮演了重要的角色，对人类的社会生活有着极其重要的影响，GaN材料禁带宽度大、热导率高、临界击穿电场高、饱和电子迁移速率高，在应用上可以做到高击穿电压、耐高温、低导通损耗、高输出功率以及低成本，在电力电子、微波通信、光伏逆变、照明等应用领域具有另外2代材料无法比拟的优势，具有重大的战略意义，相信在不久的将来GaN作为第3代半导体材料中优秀代表会得到更广泛的应用。

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