何　亮，劉　揚

（1.中山大學電子與信息工程學院，廣州510275；2.中山大學電力電子及控制技術(shù)研究所，廣州510275）

寬禁帶功率電子器件及其應用專輯

第三代半導體GaN功率開關(guān)器件的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

何亮1，2，劉揚1，2

（1.中山大學電子與信息工程學院，廣州510275；2.中山大學電力電子及控制技術(shù)研究所，廣州510275）

氮化鎵（GaN）材料具有優(yōu)異的物理特性，非常適合于制作高溫、高速和大功率電子器件，具有十分廣闊的市場前景。Si襯底上GaN基功率開關(guān)器件是目前的主流技術(shù)路線，其中結(jié)型柵結(jié)構(gòu)（p型柵）和共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)（Cascode）的常關(guān)型器件已經(jīng)逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并在通用電源及光伏逆變等領(lǐng)域得到應用。但是鑒于以上兩種器件結(jié)構(gòu)存在的缺點，業(yè)界更加期待能更充分發(fā)揮GaN性能的“真”常關(guān)MOSFET器件。而GaN MOSFET器件的全面實用化，仍然面臨著在材料外延方面和器件穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。

氮化鎵；Si襯底上GaN功率電子器件；GaN MOSFET器件；產(chǎn)業(yè)化

引言

功率電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的重要推動力。功率電子器件的主要功能是通過器件的高速開關(guān)完成各種電能形式的相互變換，主要包括交直流轉(zhuǎn)換、高低壓變換、交流頻率變換等等一系列能量形式的變換，從而可以將發(fā)電站輸出的電能——“粗電”變換成日常生活可以使用的各種“細電”?？梢娖骷阅軆?yōu)劣將直接影響到電能的利用效率［1］。

目前，市場上主流的功率電子器件主要是基于半導體Si材料制備的。從20個世紀70、80年代開始，Si基微電子技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，器件形式不斷演化，性能不斷推陳出新。從最早的可控硅（SCR）到全控型的雙極型晶體管（BJT）、單極型高速MOSFET器件，再到功率轉(zhuǎn)換能力更大的絕緣柵雙極型場效應晶體管（IGBT），以及到近年快速發(fā)展的超結(jié)器件（SJMOSFET）等等，器件性能逐年提升。這種性能的改變不僅表現(xiàn)在能量變換效率的提升，而且表現(xiàn)在系統(tǒng)裝置能量處理能力上——功率密度的提升，這一指標平均每4年就提升1倍，被業(yè)界稱為“功率電子領(lǐng)域的摩爾定律”。但是，隨著半導體工藝技術(shù)的不斷改進，Si器件性能已經(jīng)趨向其材料本身的理論極限，使得功率密度的增長出現(xiàn)了飽和趨勢，其發(fā)展速度已無法滿足市場的高性能要求。2015年，在政府發(fā)布的“《中國制造2025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖”中，提到大力推動電力裝備這一重點領(lǐng)域的突破發(fā)展，包括對大功率電力電子器件這一關(guān)鍵元器件的開發(fā)，形成產(chǎn)業(yè)化能力。

1　GaN功率開關(guān)器件的優(yōu)勢和發(fā)展前景

歸功于GaN外延材料生長上取得的突破，GaN在發(fā)光二極管LED和射頻RF放大器兩個領(lǐng)域取得了長足發(fā)展。自從1991年日本科學家中村修二等成功制備了高亮度的GaN基藍光LED開始，GaN材料在光電器件領(lǐng)域得到快速發(fā)展，而日本科學家中村修二、赤崎勇和天野浩3人也因發(fā)明高效率藍光LED獲得2014年諾貝爾物理學獎。1993年，美國南卡萊羅納大學的M.A.Khan教授研制出了世界上第1只AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管（HFET）［2］，開啟了GaN射頻器件時代。在此之后，美國加州大學圣塔芭芭拉分校和耶魯大學于2001年成功制備了耐壓達到1.2 kV的AlGaN/GaN HFET［3］，證明了GaN材料在功率開關(guān)器件領(lǐng)域的可行性，這一意義重大的研究成果掀起了GaN基功率器件的研發(fā)熱潮，并在過去的十多年間取得了顯著的成績。以GaN和SiC為代表的第三代寬禁帶半導體可以繼續(xù)保持這一增長趨勢［4］，如圖1所示。因此，重點突破SiC、GaN等第三代功率半導體功率器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化顯得尤為重要。

圖1　功率電子系統(tǒng)的功率密度發(fā)展趨勢（功率電子“摩爾定律”［2］）Fig.1　The development trend of power density for power electronic systems

作為第三代半導體材料的代表，GaN具有寬禁帶、高臨界擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高電子遷移率等優(yōu)點，在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應用前景，表1給出了制備功率電子器件的幾種半導體材料物性參數(shù)［1，5，6］。

表1　常見制備功率電子器件的半導體材料物性參數(shù)Tab.1　Characteristics parameters of different semiconductor materials

圖2為Si材料和寬禁帶半導體SiC和GaN的導通電阻和耐壓關(guān)系理論值比較［7］以及GaN功率開關(guān)器件目前的發(fā)展狀態(tài)。與Si基功率電子器件相比，GaN基功率電子器件具有如下3個優(yōu)點：①高效節(jié)能：由于GaN材料特有的極化特性，在AlGaN/ GaN異質(zhì)結(jié)間存在極強的極化效應，形成遷移率高達2 000 cm2/V·s和面密度高達1013cm-2量級的高濃度二維電子氣（2DEG）［8］。GaN基功率開關(guān)器件HFET利用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG工作，器件具有導通電阻小、開關(guān)速度快的優(yōu)點，使器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗大大降低。②可以使電力電子裝置小型化、輕量化，低成本化：GaN材料比Si具有更大的禁帶寬度，使GaN器件可以工作在更高溫度環(huán)境，因此可簡化甚至省去散熱裝置。此外由于GaN器件具有高的開關(guān)頻率，使得系統(tǒng)的無源器件電容電感的體積大大縮小。這些都使得GaN基電力電子裝置能更小型化輕量化，大大降低系統(tǒng)制作成本。③輸出功率密度大，驅(qū)動力強勁：由于寬禁帶等特性，GaN材料的臨界擊穿電場高達 3.4 MV/ cm，是Si材料的10倍，因此GaN器件具有更高耐壓能力。同時GaN基器件利用2DEG工作，獲得低導通電阻，高電流密度，因此使GaN器件可以獲得更大的功率密度。

目前全球功率器件每年約有150億美元的市場規(guī)模，根據(jù)GaN行業(yè)先行者GaN Systems公司的評估，GaN器件可以直接替代的市場份額至少可達20%，這還不包括尚待發(fā)展的領(lǐng)域，比如電動汽車等新興潛力市場。2015年國際著名半導體資訊調(diào)查機構(gòu)Yole Development報道分析了GaN功率電子器件的知識產(chǎn)權(quán)動態(tài)［9］，從2010左右發(fā)展出第一只GaN商業(yè)化器件至今，世界范圍內(nèi)GaN的專利申請量急劇攀升，出現(xiàn)了新一輪的發(fā)展高潮，如圖3所示?？梢姡珿aN功率電子器件可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，以其優(yōu)異的能源利用效率，而且可以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化、輕量化，從而大大降低制作成本，在整個世界范圍內(nèi)推行節(jié)能減排的今天，具有十分重大的現(xiàn)實意義。它將在消費類電子、云服務(wù)、光伏發(fā)電、新能源電動汽車等領(lǐng)域有著巨大的應用前景。

圖2　不同半導體材料導通電阻和耐壓關(guān)系理論數(shù)值以及GaN功率開關(guān)器件目前的發(fā)展狀態(tài)Fig.2　On-resistance versus breakdown voltage for semiconductor materials and the present status of GaN power switching devices

圖3　過去10年GaN功率電子器件的知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展動態(tài)Fig.3　Power GaN intellectual property（IP）development dynamics in the past decade

2　GaN功率電子器件的技術(shù)路線

目前世界范圍內(nèi)圍繞著GaN功率電子器件的研發(fā)工作主要分為兩大技術(shù)路線，一是在自支撐GaN襯底上制作垂直導通型器件的技術(shù)路線［10，11］，另一是在Si襯底上制作平面導通型器件的技術(shù)路線［12，13］。GaN基垂直和平面導通型器件的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4　基于GaN自支撐襯底的垂直導通型MOSFET［11］以及基于Si襯底的平面導通型GaN MOSFET［13］的器件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4　Schematic of vertical GaN MOSFET on free-standing GaN substrate and lateral GaN MOSFET on Si substrate

2.1垂直導通型GaN功率電子器件技術(shù)路線

對于GaN基功率電子器件，最理想的是在GaN自支撐襯底上同質(zhì)外延GaN有源層，進而進行器件的制備?；诟邔У腉aN自支撐襯底制備的GaN垂直導通型器件，相對平面導通型器件而言，有以下3點優(yōu)勢：①更易于獲得高的擊穿電壓：垂直型器件由于漏極制作在柵極和源極的背面，在漏極加高電壓時，電場會比較均勻地沿著垂直方向分布，而不存在平面器件的柵極邊緣尖峰電場現(xiàn)象，因此垂直型器件比平面型器件更利于獲得高的擊穿電壓。②可以減緩表面缺陷態(tài)引起的電流崩塌效應：垂直型器件的高場區(qū)域在材料內(nèi)部，遠離表面，從而可以弱化表面態(tài)的影響而減緩電流崩塌效應。③更利于提高晶圓利用率和功率密度：垂直型器件本身不存在尖峰電場而不需要使用場板結(jié)構(gòu)，也無需通過增加柵漏間距實現(xiàn)高擊穿電壓，因此，垂直型器件比平面型器件在某種程度上工藝更簡單，也更容易提高晶圓利用率以及提高功率密度。

盡管垂直導通型GaN器件優(yōu)勢十分明顯，但是與平面型器件相比發(fā)展相對緩慢，相關(guān)研究于近十年左右才剛剛起步，而且在產(chǎn)業(yè)化進程上面臨著一些待解決的技術(shù)難點。第1點是如何實現(xiàn)導電大尺寸自支撐GaN襯底低成本化。GaN基垂直導通型功率電子器件實現(xiàn)商業(yè)化的主要瓶頸是導電自支撐GaN襯底非常難以制備，導致其價格非常昂貴。由于 GaN材料具有極高的飽和蒸汽壓，很難像Si和GaAs那樣采用拉單晶的方式制備GaN襯底。因此，解決導電自支撐GaN襯底制備問題［14］，使其實現(xiàn)低成本化，毫無疑問將是實現(xiàn)GaN基垂直導通型功率電子器件產(chǎn)業(yè)化目標最迫切需要解決的問題。第2點是自支撐GaN襯底上同質(zhì)外延厚膜GaN層的背景摻雜問題。同質(zhì)外延GaN材料中O、Si等背景摻雜以及位錯、寄生溝道等會降低載流子遷移率，嚴重影響器件性能。因此，抑制背景摻雜、制備低缺陷密度的厚膜GaN層，是提升器件高耐壓能力的關(guān)鍵問題［15］。此外，p型摻雜溝道電流限制層的制備也是一直存在的技術(shù)難點。高性能p型摻雜有利于提高器件柵控制能力和耐壓性能［16］，對于寬禁帶半導體GaN而言，提高p型受主雜質(zhì)的電離效率是科學界亟待解決的一個難點。

有關(guān)GaN垂直導通結(jié)構(gòu)器件的研究，尤以日本豐田公司和美國Avogy公司為代表，還有加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）和日本羅姆半導體公司（ROHM）等著名公司和研究機構(gòu)。其中，日本豐田公司于2013年在GaN自支撐襯底上研制了耐壓達1.6 kV的垂直導通的常關(guān)型GaN MOSFET器件［11］。美國Avogy公司采用2-inch GaN自支撐襯底，分別于2014年和2015年制備了耐壓達到1.5 kV的常開型GaN FET［17］和4 kV的GaN pn結(jié)二極管［15］。與平面導通結(jié)構(gòu)器件相比，GaN垂直型器件采用價格昂貴的GaN自支撐襯底，所以未來將主要定位于高耐壓器件的高端市場，與寬禁帶SiC器件展開競爭。目前，GaN垂直型器件在產(chǎn)業(yè)方面的成果還鮮有報道。

2.2基于Si襯底的平面導通型GaN功率電子器件技術(shù)路線

由于GaN同質(zhì)外延的成本居高不下，因此在GaN功率電子器件的商業(yè)化進程中，選擇合適的襯底材料以發(fā)展基于異質(zhì)外延的平面型器件是目前的主流解決方案。在異質(zhì)外延生長過程中，襯底材料不僅需要具有與GaN外延層材料相當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)以及較小的晶格失配。同時，它還需要具有高溫（1 000℃左右）化學物理穩(wěn)定特性。理論上應盡量選擇與GaN材料晶格失配和熱失配小的襯底，但是在實際應用中需要對其他參數(shù)進行綜合考慮。目前，可供選擇的襯底材料主要包括藍寶石、SiC和Si襯底等［18］，如圖5所示。

圖5　適合GaN外延生長的不同襯底特性對比Fig.5　Comparison between different substrates on GaN epitaxial grown

目前藍寶石襯底是GaN異質(zhì)外延生長中應用最廣泛的襯底材料，并且已經(jīng)在光電器件產(chǎn)業(yè)方面有了成熟的應用。但在功率器件領(lǐng)域，藍寶石襯底卻存在非常明顯的缺點。首先，藍寶石的熱導率非常低，制備的功率器件散熱能力不強，使得GaN材料本身的優(yōu)勢很難得到充分發(fā)揮，因而限制了藍寶石襯底在功率器件產(chǎn)業(yè)應用的前景；另一方面，藍寶石襯底中的氧元素在GaN中形成重摻雜n型背景載流子，這嚴重限制了高耐壓GaN外延材料制備。此外，SiC襯底與GaN材料晶格失配小，且具有高的熱導率，使其非常適合制作高溫高功率工作下的電子器件。但是受制于SiC材料本身很難制備，且價格非常昂貴，這限制了SiC襯底在商業(yè)GaN電子器件領(lǐng)域的推廣。

Si襯底與GaN材料的晶格失配和熱失配都非常大，但是Si材料相比藍寶石材料熱導率高，晶元尺寸大，成本低，制作工藝成熟并且能和現(xiàn)有CMOS工藝兼容，這些優(yōu)點使得Si襯底成為實現(xiàn)商用化GaN功率器件產(chǎn)業(yè)化的最佳襯底。Si襯底上GaN基平面導通型器件是目前的主流技術(shù)，從幾十到幾百伏的中低壓應用領(lǐng)域已逐漸走向產(chǎn)業(yè)化。

3　Si襯底上GaN基功率開關(guān)器件的發(fā)展狀況

在電力電子控制系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)失效安全，器件必須具備常關(guān)型的工作特性。通常對于Si襯底上GaN基功率開關(guān)器件，主流技術(shù)是利用Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處高濃度、高遷移率的2DEG工作，使器件具有導通電阻小、開關(guān)速度快的優(yōu)點。然而，這種AlGaN/GaN HFET即使在外加柵壓為0的情況下，其器件也處于開啟狀態(tài)。如何實現(xiàn)高性能的常關(guān)型操作是GaN功率開關(guān)器件面臨的一個重要挑戰(zhàn)。

3.1GaN常關(guān)型功率開關(guān)器件的主流技術(shù)

實現(xiàn)常關(guān)型工作特性的一般思路是保留接入?yún)^(qū)高導通的2DEG，同時耗盡或截斷柵極下方的2DEG，以實現(xiàn)器件零偏壓下關(guān)斷。目前業(yè)界最普遍采用的常關(guān)型GaN器件的結(jié)構(gòu)有3種：（1）結(jié)型柵結(jié)構(gòu)（p型柵）［19］，（2）共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)（Cascode）［20］，（3）絕緣柵結(jié)構(gòu)（MOSFET）［21-24］，如圖6所示。

圖6　GaN常關(guān)型器件結(jié)構(gòu)示意Fig.6　Schematic of GaN normally-off devices

目前，前兩種方案已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。p型柵結(jié)構(gòu)方案是利用柵極下方的p型 （Al）GaN層抬高溝道處的勢壘，從而耗盡溝道中的2DEG來實現(xiàn)常關(guān)。該結(jié)構(gòu)的制備工藝難度較大，需要對接入?yún)^(qū)p型層的刻蝕，存在閾值電壓小、柵壓擺幅冗余度小以及抵抗電磁干擾能力差等缺點，此外其柵極漏電流大，且無法通過采用MOS柵結(jié)構(gòu)來進行改善。而Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)的常關(guān)型器件方案是將一只高壓常開型GaN HFET和一只低壓常關(guān)型Si MOSFET通過Cascode方法組合成一個全新的混合管來實現(xiàn)常關(guān)。然而，Cascode結(jié)構(gòu)會帶來芯片所引入的附加寄生參數(shù)增大等問題，限制器件的高頻開關(guān)性能，使得GaN的高速開關(guān)性能很難得到充分的發(fā)揮，而多芯片的封裝也會降低器件的可靠性能。

絕緣柵結(jié)構(gòu)器件通過引入一層絕緣柵介質(zhì)層，可以解決上述p型柵閾值電壓低等問題。而Cascode結(jié)構(gòu)只是目前的一個暫時的解決方案，業(yè)界更加期待“真”常關(guān)型器件——絕緣柵結(jié)構(gòu)器件，目前絕緣柵法使用最普遍的就是凹槽柵結(jié)構(gòu)，如圖6（c）所示。凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)器件的工作原理是，通過凹槽切斷柵極下方的2DEG，使得器件在零柵壓下為關(guān)斷狀態(tài)。當正柵壓增至大于閾值電壓時，將在柵界面處形成電子積累層以作為器件的導電溝道，器件呈導通狀態(tài)。凹槽絕緣柵技術(shù)在制備常關(guān)型功率器件方案中具有很大的優(yōu)勢，可以解決p型柵結(jié)構(gòu)和Cascode結(jié)構(gòu)所帶來的諸多問題，這種凹柵的形成方式包括干法刻蝕（Dry etch，如ICP）［21］、濕法刻蝕（Wet etch）［22，23］以及選擇區(qū)域外延（SAG）［24-27］等。目前國內(nèi)外使用凹槽絕緣柵技術(shù)制備GaN常關(guān)型MOSFET器件已有大量研究工作報道，但是器件工作的穩(wěn)定性和可靠性問題仍需要進一步克服。

3.2GaN功率開關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展狀況

2000年后，鑒于對GaN功率電子器件優(yōu)異性能的預期，GaN功率器件的研發(fā)得到了美日等發(fā)達國家政府的高度重視，GaN器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將是電力電子技術(shù)的一次革命。國際上GaN功率器件的產(chǎn)業(yè)化最早開始于2010年，美國的國際整流半導體（IR）公司和EPC公司率先實現(xiàn)了耐壓200 V以下的GaN功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化制造；2012年美國 Transphorm公司推出了 600 V耐壓級別的GaN功率開關(guān)器件產(chǎn)品，并且與日本Fujitsu公司合作推出了量產(chǎn)化產(chǎn)品，其器件結(jié)構(gòu)為cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)；2014年日本Panasonic公司和加拿大新風險投資企業(yè)GaN Systems公司也分別推出了600 V 和650 V耐壓等級的GaN功率開關(guān)器件，器件結(jié)構(gòu)為p型柵結(jié)構(gòu)。從器件的散熱、集成密度、寄生效應等層面考慮，各公司采用的封裝形式亦不盡相同，各產(chǎn)品及應用形式如圖7所示。Transphorm公司采用傳統(tǒng)的TO220直插封裝和PQFN表面貼裝形式，EPC公司采用LGA柵格陣列封裝形式大大地降低功率損耗，GaN Systems公司采用GaNPX貼片封裝和驅(qū)動器協(xié)助技術(shù)獲得了極低的電感和高熱效率，如圖7（a）、（b）、（c）所示。從目前的發(fā)展方向來看，為了充分發(fā)揮GaN功率開關(guān)器件高速開關(guān)特性的優(yōu)勢，各公司采用的器件封裝形式主要是傾向于貼片封裝。

在系統(tǒng)應用方面，2014年Transphorm公司與日本安川電機（Yaskawa Electric）合作，采用其GaN功率開關(guān)器件研制出了高性能的功率達4.5 kW的光伏微逆變器，由于GaN器件的高速開關(guān)性能使得微逆變器的體積較采用Si器件的逆變器相比縮小了40%，同時損耗降低了45%，如圖7（d）所示。2015年EPC公司在香港ISPSD會議上宣布該公司的GaN功率開關(guān)器件已經(jīng)成功地應用于筆記本電腦的65 W電源適配器上，體積縮減到了常規(guī)適配器的1/3，如圖7（e）所示，可兼容全球不同電力標準，適用于目前市場主流品牌的筆記本電腦。2015年日本Fujitsu公司宣告采用GaN器件實現(xiàn)了世界上體積最小、效率最高的12 W AC電源適配器。在2015年Google及美國電氣電子工程師學會（IEEE）聯(lián)合舉辦的Little Box Challenges挑戰(zhàn)賽上，榮獲第一名的CE+T Power采用GaN Systems公司的GaN 650 V功率器件設(shè)計了2 kVA逆變器，其體積縮小至13.77 inches3，效率高達95.4%，功率密度145 W/ inches3，如圖7（f）所示。

圖7　各公司的GaN器件產(chǎn)品及應用形式Fig.7　GaN devices products and application of different companies

GaN功率電子器件之所以在短期內(nèi)得以迅速產(chǎn)業(yè)化的原因，一方面得益于半導體照明使得GaN材料產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，另一更重要的原因是由于工業(yè)界采用了Si襯底上制備GaN材料的這一技術(shù)路線，因為從量產(chǎn)實用化角度考慮，Si襯底易于獲得大尺寸、導熱性較好，可以有效兼容傳統(tǒng)Si集成電路CMOS工藝，可利用傳統(tǒng)功率電子器件制造產(chǎn)業(yè)平臺，大大減少設(shè)備投入。2014年Yole Development 對GaN市場的應用領(lǐng)域分析［28］如圖8所示。目前，GaN功率器件的商業(yè)化主要還是集中在額定電壓200 V的低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，最近隨著600 V的GaN器件的產(chǎn)業(yè)化，預示著它將在電源以及功率因數(shù)校正等領(lǐng)域快速發(fā)展。在中高耐壓領(lǐng)域，如電動汽車的電機驅(qū)動上，GaN器件也將憑借它的巨大優(yōu)勢在未來占據(jù)較大的市場份額。

圖8　GaN功率電子器件的市場應用領(lǐng)域及相應電壓、電流范圍Fig.8　GaN state-of-the-art device vs.application requests

4　Si襯底上GaN功率開關(guān)器件的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)

盡管近年來Si襯底上GaN基功率電子器件取得了非常多的進展，但仍然面臨著一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如大尺寸Si襯底上GaN材料的異質(zhì)外延和應力調(diào)控技術(shù)、器件關(guān)態(tài)漏電抑制和耐壓提升技術(shù)、器件動態(tài)電阻穩(wěn)定性問題、GaN MOSFET閾值電壓的穩(wěn)定性問題等，對此提出了相對應的解決方案。

4.1大尺寸Si襯底上GaN材料的異質(zhì)外延和應力調(diào)控技術(shù)

在生長GaN晶體材料的幾種可能襯底材料中，雖然Si襯底擁有明顯的低價格、大尺寸、易于與產(chǎn)業(yè)CMOS平臺兼容等優(yōu)勢，但是實現(xiàn)Si襯底上異質(zhì)外延高質(zhì)量的GaN材料，難度仍是很大。原因主要來自于異質(zhì)襯底Si和GaN外延層之間的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)（TEC）失配［29，30］，如圖9所示，失配分別達16.9%和56%。Si襯底與GaN外延層之間晶格常數(shù)不同導致的晶格失配會在Si和GaN外延層界面處產(chǎn)生非常高密度的位錯缺陷（106~109/cm2），在外延生長過程中這些位錯很大一部分會貫穿整個外延層，嚴重裂化外延層晶體質(zhì)量。而兩者熱膨脹系數(shù)的不同導致的熱失配會使得整個外延層在高溫生長后降溫過程中形成非常大的應力積累，發(fā)生翹曲，嚴重時外延層產(chǎn)生龜裂，而且這種翹曲和龜裂隨著襯底尺寸的增大而變得愈發(fā)嚴重，如圖10所示。

圖9　3族氮化物（GaN、AlN、InN）與常規(guī)襯底（Si、SiC、藍寶石）之間材料熱膨脹系數(shù)和面內(nèi)晶格常數(shù)的關(guān)系Fig.9　Thermal expansion coefficient of III-nitride and common substrates as a function of lattice constant（in plane）

圖10　Si襯底上GaN外延材料的翹曲、龜裂示意Fig.10　Schematic of bow and crake for GaN on Si substrate

國際上關(guān)于Si襯底上異質(zhì)外延GaN技術(shù)最早開始于20世紀90年代末期，GaN外延層晶體質(zhì)量不斷提高，晶片直徑從早年的2 inch、4 inch 到6 inch，甚至發(fā)展到近期的8 inch。為了解決Si襯底上GaN異質(zhì)外延時存在的應力問題，研究人員開發(fā)出了圖形襯底選區(qū)生長法、插入層技術(shù)以及緩沖層技術(shù)等一系列方法。目前廣泛采用的是插入層和緩沖層這兩種方法，其基本外延層結(jié)構(gòu)如圖11所示。其中插入層技術(shù)是指通過引入一層或幾層薄插入層來調(diào)節(jié)外延層內(nèi)部的應力狀態(tài)，平衡降溫時由于熱失配和晶格失配導致的外延層中的張應力，主要的插入層有低溫AlN插入層［31］。而緩沖層技術(shù)也是通過提供壓應力，從而調(diào)節(jié)外延薄膜內(nèi)部的應力狀態(tài)使其趨于平衡。目前廣泛采用的緩沖層有AlGaN漸變緩沖層［32］和AlN/（Al）GaN超晶格緩沖層［33-35］。以上方法均可以達到提供壓應力以平衡Si襯底GaN中的張應力使得系統(tǒng)趨于應力平衡的目的，最近幾年6 inch和8 inch Si 上GaN外延技術(shù)的發(fā)展也逐步趨于成熟并量產(chǎn)化。當然，這些方法也不能完全解決應力問題，針對緩沖層對應力調(diào)控的機制仍然模糊，尚有大量的工作需要研究和優(yōu)化。

圖11　目前主流的3種應力緩沖層方案Fig.11　There different stress buffer layer schemes

圖12　GaN功率器件的電流崩塌現(xiàn)象Fig.12　Current collapse phenomenon in GaN power devices

4.2器件關(guān)態(tài)漏電抑制和耐壓提升技術(shù)

對于GaN基功率器件而言，高場下泄漏電流的主要來源有兩個：一個是柵極漏電，即柵極的肖特基結(jié)在強電場下會出現(xiàn)的泄漏電流，可以通過引入柵極絕緣介質(zhì)層得到有效抑制；另一個是外延緩沖層漏電，引起緩沖層漏電的原因有很多，如背景施主型摻雜、高密度位錯缺陷產(chǎn)生的漏電通道以及AlN成核層與Si界面處的寄生導電通道等，這嚴重影響到器件工作的可靠性。根據(jù)相關(guān)文獻報道，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、提高外延層質(zhì)量以及改進器件的制備技術(shù)等，目前GaN基功率開關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)換能力已遠遠超過了Si基器件的理論值，并部分超越了SiC器件的理論水平，逐漸接近GaN的理論極限，如圖2所示［7］?，F(xiàn)有報道的GaN器件耐壓水平離理論值仍有所差距，這主要是由于上述的器件和材料中存在的問題造成的。

實現(xiàn)器件的低漏電和高耐壓，往往需要從器件終端設(shè)計和材料緩沖層結(jié)構(gòu)兩個層面去解決問題。器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計（如引入場板結(jié)構(gòu)，采用MIS結(jié)構(gòu)等）可以解決材料中電場分布不均勻?qū)е录夥咫妶鲆约皷艠O漏電較大等問題，但是在較大電場下，只有通過抑制緩沖層材料漏電才能在降低器件關(guān)態(tài)漏電流的同時提高器件的擊穿電壓。所以從材料層面提高緩沖層絕緣性能是實現(xiàn)低漏電/高耐壓GaN基電子器件的關(guān)鍵，目前行之有效的方法是對緩沖層材料進行雜質(zhì)補償，受主雜質(zhì)可以有效補償材料中的過剩載流子，從而抑制漏電流，提高擊穿電壓。目前常用的受主摻雜雜質(zhì)有C，Mg或Fe，其中C摻雜技術(shù)具有無記憶效應等優(yōu)點，而且能夠采用生長源進行C自摻雜［36］，因此成為近年來緩沖層雜質(zhì)補償?shù)氖走x方案。然而，C雜質(zhì)往往在GaN外延層中扮演著深受主的角色，是引起器件電流崩塌的重要原因。

4.3器件動態(tài)電阻的穩(wěn)定性問題

對于理想的GaN基功率開關(guān)器件，在關(guān)態(tài)下器件的反向漏電流為0，在開啟時器件的壓降為0（即導通電阻為0），可使器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到100%。然而在實際應用中，器件存在關(guān)態(tài)漏電流和開態(tài)導通電阻，器件的能量轉(zhuǎn)換效率降低。除此以外，GaN功率器件在不斷地由關(guān)斷（高電壓）切換到開啟（大電流）的高速開關(guān)狀態(tài)時，導通電阻會顯著增大，這就是電流崩塌現(xiàn)象，如圖12所示。

電流崩塌現(xiàn)象的直接體現(xiàn)是器件導通電阻的增大，主要原因是由于AlGaN/GaN異質(zhì)界面處2DEG溝道的電子濃度下降。目前普遍認為電流崩塌現(xiàn)象來源于2個方面：AlGaN勢壘層表面受主陷阱態(tài)［37］和AlGaN勢壘層或GaN緩沖層內(nèi)部受主陷阱態(tài)［38］。電流崩塌是制約GaN基功率器件應用的一個關(guān)鍵問題，器件導通電阻的增大會增加器件在開態(tài)下的功率損耗，降低器件的效率，而且這也是器件工作穩(wěn)定性的一大挑戰(zhàn)。目前抑制電流崩塌的主要方案有：表面處理/鈍化、外延緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計（如背勢壘層）以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計（如場板）等。

4.4GaN MOSFET器件閾值電壓穩(wěn)定性的問題

根據(jù)前文所述，絕緣凹柵結(jié)構(gòu)GaN基常關(guān)型MOSFET器件可以解決p型柵結(jié)構(gòu)和Cascode結(jié)構(gòu)所帶來的諸多問題。但是這種器件存在閾值電壓的回滯和漂移現(xiàn)象，即閾值電壓的不穩(wěn)定性［39］。在GaN基MOS界面系統(tǒng)中，溝道附近處GaN材料表面缺陷態(tài)、柵介質(zhì)層/GaN界面處的界面態(tài)以及介質(zhì)層內(nèi)部的缺陷態(tài)，都可能產(chǎn)生大量的陷阱。這些陷阱態(tài)處于或者靠近柵極溝道，會引入額外的關(guān)態(tài)漏電通道，造成器件在柵極零偏壓下不能理想地夾斷。當電子占據(jù)這些陷阱態(tài)時，柵極溝道電子也可能會受到這些帶電陷阱態(tài)的庫倫散射，導致遷移率降低，器件導通特性劣化。更為嚴重是，這些界面陷阱態(tài)在不同的柵極開關(guān)偏壓下，電子俘獲和釋放效應會造成閾值電壓的變化，嚴重劣化器件工作的穩(wěn)定性。此不穩(wěn)定性現(xiàn)象，會隨著外加偏壓的增加及加載時間的增長而愈顯著。閾值電壓穩(wěn)定性問題是GaN MOSFET器件面向產(chǎn)業(yè)化必須解決的問題，MOS柵界面控制技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。

對于傳統(tǒng)的Si基MOSFET器件，通過高溫熱氧化的方法制備Si的本體氧化物SiO2，可以極大地降低SiO2/Si界面系統(tǒng)中的缺陷態(tài)。而在GaN MOSFET器件中，由于GaN的本體氧化物Ga2O3極難通過熱氧化方法形成，而且Ga2O3與GaN的帶階差較小，不適合用于做柵介質(zhì)層，因此必須通過物理或化學氣相沉積法制備其他介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層。在該制備過程中，極易由于表面沾污以及介質(zhì)層/GaN界面不飽和化學鍵等引入缺陷態(tài)。針對于該GaN/柵介質(zhì)的界面缺陷態(tài)研究，目前科技界和產(chǎn)業(yè)界的研究者對絕緣柵介質(zhì)沉積前后工藝條件，包括沉積前化學溶液表面處理、等離子處理，沉積時設(shè)備生長條件參數(shù)改進，沉積后不同氣體環(huán)境退火處理等方法進行了深入研究，以降低界面缺陷密度，提高GaN MOSFET器件工作的穩(wěn)定性。

另外，早期的槽柵制備多采用等離子體干法刻蝕（ICP），而該方法會對GaN材料表面造成晶格損傷，從而引入缺陷，造成嚴重的器件閾值電壓不穩(wěn)定性問題。通過降低干法刻蝕刻蝕功率和速率的方法以及高溫退火的辦法，可以一定程度上降低晶格損傷。中科院微電子所黃森等采用高溫干法刻蝕槽柵技術(shù)減少界面雜質(zhì)沾污，實現(xiàn)了低界面陷阱的常關(guān)型MOSFET器件［21］。另外，通過濕法刻蝕槽柵的方法來減少損傷，但由于氮化物具有極高的抗腐蝕性，多采用先氧化后酸腐蝕的方法，如北京大學王茂俊等采用數(shù)字式氧化濕法刻蝕技術(shù)［23］；浙江大學盛況等報道了經(jīng)濟性好、耗時短的一次氧化加濕法刻蝕制備槽柵方法［22］，刻蝕出較低界面損傷的槽柵。此外，作為槽柵結(jié)構(gòu)制備方法的另一種選擇，中山大學提出采用選擇區(qū)域外延（SAG）方法生長Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的源漏接入?yún)^(qū)［25］，從而自然形成凹槽柵區(qū)，并于2015年成功地制備了高穩(wěn)定性的常關(guān)型GaN槽柵MOSFET器件［41］，其轉(zhuǎn)移特性中的閾值電壓回滯大小僅為幾十mV，該方法能有效避免干法刻蝕槽柵所引入的損傷，減少柵界面的缺陷。與ICP方法制備的器件相比，SAG槽柵結(jié)構(gòu)GaN MOSFET器件表現(xiàn)出優(yōu)異的閾值電壓穩(wěn)定性能［14］，如圖13所示，這一成果證明了選擇區(qū)域外延技術(shù)制備GaN槽柵MOSFET的優(yōu)越性以及該技術(shù)路線的可行性。

圖13　采用SAG和ICP制備的GaN凹槽柵MOSFET閾值電壓穩(wěn)定性對比Fig.13　The threshold voltage stability of GaN MOSFET by SAG and ICP technique

5　國內(nèi)發(fā)展狀況

國內(nèi)關(guān)于Si襯底GaN功率開關(guān)器件的研發(fā)工作起步較晚，總體水平與國際先進技術(shù)還有一定的差距。關(guān)于Si襯底GaN外延及器件等研究主要集中在高校和研究所［21-24，33，34，42］，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，近幾年風險投資公司相繼涉足Si襯底GaN基電力電子材料與器件領(lǐng)域，如蘇州能訊、江蘇能華、南通清華同方、廈門三安等。同時Si襯底GaN功率開關(guān)器件也得到了一些傳統(tǒng)Si基電力電子器件企業(yè)的重視，如杭州士蘭微電子、上海新傲科技、重慶中航半導體、深圳方正微電等，但尚未有正式的產(chǎn)品推出。

盡管國內(nèi)GaN功率電子器件起步晚于國際發(fā)達國家，但是國內(nèi)功率半導體器件企業(yè)在這一領(lǐng)域的發(fā)展存在相當大的機遇。首先，GaN功率器件的技術(shù)路線尚未確定，目前商業(yè)器件所采用的技術(shù)路線多是臨時性的解決方案，專利及技術(shù)發(fā)展空間巨大，在這方面我國與國際先進國家的差距并不大。如果國內(nèi)龍頭企業(yè)在國家“政、產(chǎn)、學、研、用、資”協(xié)同創(chuàng)新機制的引導下，利用第三代半導體材料大力推動我國的電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)功率電子器件產(chǎn)業(yè)的彎道超車的機會是非常大的。其次，Si襯底GaN功率開關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境在中國已經(jīng)成熟，這一方面得益于半導體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得GaN材料產(chǎn)業(yè)不斷成熟，另一方面得益于國家在 “十一五”和“十二五”期間大力扶持的Si基功率半導體及集成電路產(chǎn)業(yè)平臺的成熟。最后，第三代半導體功率器件已經(jīng)得到了中國政府的高度重視，被科技部列為國家重點研究計劃 （2016年下半年開始實施）及國家重大科技專項——工程材料專項 （18專項）中的重要研究內(nèi)容，將帶動數(shù)百億元的產(chǎn)業(yè)基金，助力中國GaN功率電子器件產(chǎn)業(yè)的騰飛。

6　結(jié)語

GaN基功率電子器件憑借其優(yōu)異的性能，將成為未來功率電子應用的首選技術(shù)方案，在逐步實現(xiàn)商業(yè)化的進程中，將取得非常可觀的市場份額。隨著GaN高壓（600 V以上）器件的產(chǎn)品化，與現(xiàn)有Si 基IGBT和MOSFET相比，其巨大優(yōu)勢將愈發(fā)顯現(xiàn)出來。目前基于CMOS工藝的Si襯底上GaN功率開關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)化方案主要是Cascode級聯(lián)結(jié)構(gòu)和p型柵結(jié)構(gòu)的器件，這兩種技術(shù)方案僅僅是現(xiàn)階段的臨時性過渡方案，以此打開GaN器件產(chǎn)業(yè)化的大門。而凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)的常關(guān)型GaN MOSFET器件的產(chǎn)品化是業(yè)界公認的發(fā)展方向，以期實現(xiàn)更高性能的電力電子系統(tǒng)。鑒于采用傳統(tǒng)的驅(qū)動和封裝形式會導致GaN器件在高速開關(guān)工作狀態(tài)下發(fā)生嚴重的寄生效應，因此需要在驅(qū)動和封裝層面加以重新設(shè)計，如采用純GaN驅(qū)動的單片集成方案，這將大幅度提升器件的工作特性。此外，GaN功率開關(guān)器件在工作狀態(tài)下的長期可靠性和穩(wěn)定性近來也成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點之一。從現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢來看，隨著制造成本的下降和一些技術(shù)瓶頸的逐一突破，GaN功率器件將在高速開關(guān)等Si基功率器件無法滿足的領(lǐng)域迅速得到發(fā)展與應用。未來幾年將是GaN功率電子器件全面產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵時期，我國需要緊緊抓住這一發(fā)展機遇，迎接挑戰(zhàn)，努力追趕美、日、歐先進技術(shù)，實現(xiàn)電力電子領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級。

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［42］馬煥，王康平，楊旭，等.GaN器件的LLC諧振變換器的優(yōu)化設(shè)計［J］.電源學報，2015，13（1）：21-27. Ma Huan，Wang Kangping，Yang Xu，et al.Optimal design of GaN-based LLC resonant converter［J］.Journal of Power Supply，2015，13（1）：21-27（in Chinese）.

Recent Progress and Challenges of GaN Based Power Electronic Devices

HE Liang1，2，LIU Yang1，2
（1.School of Electronics and Information Technology，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China；2.Institute of Power Electronics and Control Technology，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China）

GaN-based materials have bright market prospects in the field of high-temperature，high-speed and high-power applications owing to their superior physical properties.GaN-based power devices on Si substrate are current mainstream techniques，in which p-gate and cascade structure have been applied in industrial productions such as universal power supply and PV inverter.In view of the disadvantages of the above two kinds of device structure，highperformance true normally-off MOSFET is still recognized as the direction and goal in the industry.GaN MOSFET devices still face many technical bottlenecks and challenges in terms of materials epitaxy and devices stability.

GaN；GaN power electronic devices on Si substrate；GaN MOSFET；industrialization

何亮

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.1

O472.4

A

2016-05-11 基金項目：國家自然科學基金資助項目（51177175）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2014AA032606）；廣東省自然科學基金資助項目（2015A030312011） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51177175）；the National High-tech R&D Program of China（863 Program）（2014AA032606）；Guangdong Natural Science Foundation（2015A030312011）

何亮（1988-），男，博士研究生，研究方向：GaN材料外延生長及電力電子器件制備，E-mail：he_liang_mail@163.com。

劉揚（1969-），男，并列第一作者，通信作者，博士，教授，研究方向：寬禁帶半導體材料與器件，E-mail：liuy69@mail.sysu.edu. cn。