近期，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)增強(qiáng)型 p 型柵氮化鎵（GaN）晶體管，并首次在高達(dá) 4500V 工作電壓下實(shí)現(xiàn)低動(dòng)態(tài)電阻工作能力。

研究人員在 GaN 功率器件的表面引入新型有源鈍化結(jié)構(gòu)，在藍(lán)寶石襯底成功制備具有該結(jié)構(gòu)的新型器件。所制備的器件擊穿電壓得到大幅度提升，實(shí)現(xiàn)大于 6500V 的耐壓能力。

通過提供低成本的增強(qiáng)型 GaN 功率器件解決方案，攻克了制約 GaN 功率器件近 30 年的動(dòng)態(tài)電阻難題，打破了“GaN 功率器件不適用于千伏級(jí)工業(yè)電子應(yīng)用”的固有觀念。

圖丨魏進(jìn)（來源：魏進(jìn)）

具體來說，在 4500V 工作電壓下，超高壓 GaN 功率器件的動(dòng)態(tài)電阻退化僅為 2%。與之對(duì)比的是，同一晶圓上的傳統(tǒng)器件在 500V 工作電壓下，動(dòng)態(tài)電阻退化已超過 100%。

該技術(shù)有望為新能源汽車、軌道交通、電力傳輸、分布式儲(chǔ)能、清潔能源、數(shù)據(jù)中心電源等應(yīng)用設(shè)備提供高效率、輕量化、小型化的能源管理系統(tǒng)。

圖丨相關(guān)論文（來源：IEDM）

近日，相關(guān)論文發(fā)表在美國(guó)舊金山舉辦的 IEEE 國(guó)際電子元件會(huì)議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，題目為《具有超低動(dòng)態(tài)電阻的 6500V 有源鈍化氮化鎵 p 型柵高電子遷移率晶體管》（6500-V E-mode active-passivation p-GaN gate HEMT with ultralow dynamic RON）。

北京大學(xué)博士研究生崔家瑋為論文第一作者，北京大學(xué)魏進(jìn)研究員、王茂俊副教授、沈波教授為論文共同通訊作者，合作單位包括清華大學(xué)、日本名古屋大學(xué)。

行業(yè)瓶頸：GaN 功率器件難以用于千伏級(jí)別電壓等級(jí)

GaN 半導(dǎo)體材料因具備卓越的耐壓與輸運(yùn)特性，有望推動(dòng)電子設(shè)備在系統(tǒng)效率提升、系統(tǒng)微型化發(fā)展方面取得革命性進(jìn)展。

目前，GaN 功率器件的電壓等級(jí)并非受限于擊穿電壓，而是被局限于高壓工作后的動(dòng)態(tài)電阻退化。動(dòng)態(tài)電阻退化源于器件表面的深能級(jí)陷阱響應(yīng)速度極為緩慢，一旦填充電子需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，這些表面負(fù)電荷排斥溝道中的電子引起動(dòng)態(tài)電阻退化。

同時(shí)，GaN 功率器件又依賴于表面深能級(jí)陷阱態(tài)，為導(dǎo)電溝道提供載流子。因此，動(dòng)態(tài)電阻退化被認(rèn)為是 GaN 功率器件的本征特性之一。

經(jīng)歷近 20 年的研究，目前業(yè)界普遍采用 3 至 4 個(gè)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，可以將 650V 電壓等級(jí)的 GaN 功率器件的動(dòng)態(tài)電阻退化控制在可接受的程度。

然而，對(duì)于更高電壓等級(jí)的器件，所需場(chǎng)板數(shù)量成比例增加，每增加一個(gè)場(chǎng)板就需要多一次光刻。若想實(shí)現(xiàn) 6500V 的 GaN 功率器件，則需要幾十次額外的光刻，因此失去了現(xiàn)實(shí)意義。

有鑒于此，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界形成普遍的共識(shí)：GaN 功率器件不適用于千伏級(jí)別的電壓等級(jí)。

解決有源鈍化 GaN 晶體管的三個(gè)技術(shù)難題

那么，是否有可能從根本上解決動(dòng)態(tài)電阻退化的問題呢？

早在 20 年前，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究人員嘗試采用一個(gè) p 型半導(dǎo)體層，來屏蔽器件表面陷阱的影響，但未取得理想的結(jié)果。

魏進(jìn)在香港科技大學(xué)讀博時(shí)，就開始思考如何利用屏蔽效應(yīng)消除表面深能級(jí)陷阱態(tài)的影響。彼時(shí)，很多國(guó)內(nèi)外課題組發(fā)現(xiàn) GaN 功率器件閾值電壓漂移的現(xiàn)象，并認(rèn)為這是 GaN 半導(dǎo)體材料缺陷引起的。

2019 年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件時(shí)，發(fā)現(xiàn)在某些情況下，因?yàn)槠骷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象造成器件特性漂移。因此，當(dāng)產(chǎn)生電荷損失時(shí)，沒有電荷源泉可以快速補(bǔ)充電荷，導(dǎo)致器件穩(wěn)定性變差。

經(jīng)過分析，魏進(jìn)發(fā)現(xiàn) GaN 功率器件有類似之處。“這說明 GaN 器件的閾值電壓本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)變化的，而非由材料缺陷所導(dǎo)致。”他說。

后續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，魏進(jìn)都在研究如何驗(yàn)證這一理論。他與所在團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種測(cè)試方法，對(duì)器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷量與閾值電壓漂移量分別測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這二者完全吻合。

基于此，他們提出 GaN 功率器件動(dòng)態(tài)閾值電壓理論[2]，讓“動(dòng)態(tài)閾值電壓”概念成為 GaN 功率器件的普遍共識(shí)。

加入北京大學(xué)后，魏進(jìn)課題組的研究方向是功率半導(dǎo)體器件，研究重點(diǎn)包括 GaN 功率器件、SiC 功率器件以及功率集成電路技術(shù)。

他和團(tuán)隊(duì)成員再次將注意力投入到“動(dòng)態(tài)電阻退化”這個(gè)古老的方向上。之前，在動(dòng)態(tài)閾值電壓理論上的研究給他們提供了重要的思路。

魏進(jìn)表示：“當(dāng)我們?cè)偎伎既绾纹帘伪砻嫔钅芗?jí)陷阱態(tài)時(shí)，意識(shí)到為屏蔽層提供能夠快速響應(yīng)的電荷源泉，是解決問題的關(guān)鍵。因此，我們有了這一概念的雛形。”

（來源：IEDM）

最初，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，屏蔽電荷的源泉應(yīng)該是固定電位，器件中的固定電位只有器件源極，即參考電壓 0V。然而，p 型屏蔽層的引入會(huì)耗盡下方的電子溝道，造成電子濃度的減少甚至消失。

因此，他們將研究重點(diǎn)放在怎樣彌補(bǔ)屏蔽層下方的電子損失。魏進(jìn)表示：“有一天我突然想到，屏蔽層與柵極連接可利用柵極的正電壓所產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)，來恢復(fù)屏蔽層下方的電子濃度。”

圖丨在藍(lán)寶石襯底上制備的超高壓 GaN 功率器件透射電鏡圖像（來源：IEDM）

在零電壓偏置下，有源鈍化層耗盡下方的電子溝道，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作模式。當(dāng)需要器件導(dǎo)通時(shí)，研究人員采用一種與傳統(tǒng)器件截然不同的方式產(chǎn)生電子溝道。

具體來說，傳統(tǒng)器件利用表面深能級(jí)陷阱為溝道提供電子，而該器件則是利用柵極電壓的場(chǎng)效應(yīng)作用，重新在溝道中產(chǎn)生高濃度的電子。

但這時(shí)仍有一個(gè)棘手的問題：器件的耐壓能力是否會(huì)受到有源鈍化結(jié)構(gòu)的影響？根據(jù)在 GaN p 溝道晶體管的研究經(jīng)驗(yàn)，魏進(jìn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) p 型層足夠薄時(shí)可被耗盡，從而實(shí)現(xiàn)超高的耐壓能力。

至此，有關(guān)有源鈍化 GaN 晶體管的三個(gè)主要技術(shù)難題被完美解決，即如何實(shí)現(xiàn)低動(dòng)態(tài)電阻、如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作模式、如何承受高壓。“相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分驗(yàn)證了我們的想法。”魏進(jìn)說。

該器件展示了溝道電子的產(chǎn)生可以不依賴于表面深能級(jí)陷阱態(tài)，并且，表面深能級(jí)陷阱態(tài)的影響從原理上能夠被完全消除。最終，該器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)關(guān)鍵特性：大于 6500V 的超高耐壓、增強(qiáng)型工作模式以及超低動(dòng)態(tài)電阻。

以低成本實(shí)現(xiàn)性能“飛躍”

目前，成熟的超高壓功率器件是垂直型 Si 絕緣柵雙極晶體管或 Si 晶閘管，但它們的開關(guān)頻率非常低。一種解決方案是采用寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 功率器件，以大幅度提高開關(guān)頻率。

但是，SiC 超高壓器件需要特殊的厚外延工藝，且需要將外延材料的背景摻雜控制到極低的水平，這需要極高的成本。對(duì)于 SiC 功率器件，額外的成本還包括昂貴的襯底及特殊的高溫工藝設(shè)備。

GaN 超高壓器件采用與低壓器件相同的外延材料、藍(lán)寶石襯底、成熟的 Si 工藝設(shè)備。據(jù)了解，該技術(shù)采用低壓器件的流程，甚至不用專門為超高壓器件區(qū)開發(fā)工藝流程，僅需要修改版圖設(shè)計(jì)。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)，在大規(guī)模量產(chǎn)條件下，同等電流水平的 GaN 器件的成本接近 Si 器件，但是卻能帶來性能上的“飛躍”。

目前，美國(guó)在 GaN 超高壓器件領(lǐng)域投入大量研發(fā)資源，而中國(guó)在該領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先的水平。然而，中國(guó)相關(guān)配套技術(shù)的研發(fā)仍未啟動(dòng)。魏進(jìn)表示：“希望我們的研究結(jié)果能夠鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)在 GaN 超高壓器件的研發(fā)投入，推動(dòng)配套技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到產(chǎn)品化階段的研發(fā)。”

（來源：IEDM）

未來，功率器件的突破有望帶來能源管理技術(shù)的變革。

人們可能會(huì)看到笨重的電力變電站變得更加小型化，從而能夠更加靈活地在城市布局；電動(dòng)汽車中體型龐大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與充電模板變得更加小型化，進(jìn)而騰出寶貴的乘用空間或安裝更高容量的電池，以大幅度地提高續(xù)航里程。

功率器件的突破更有望對(duì)未來社會(huì)的組織方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，使曾經(jīng)受限于能源管理系統(tǒng)的重量與體積，以及設(shè)備的續(xù)航能力的概念性應(yīng)用更快地進(jìn)入實(shí)用，例如小型載人飛行器、穿戴式機(jī)械外骨骼等。

繼續(xù)探索 GaN 超高壓功率器件的性能邊界

本屆微電子器件的最高學(xué)術(shù)會(huì)議 IEDM 上，魏進(jìn)課題組還另展示了兩篇論文，分別是攻克 GaN 動(dòng)態(tài)閾值電壓漂移[3]，以及在體硅襯底上實(shí)現(xiàn) 650V GaN 集成電路[4]。兩篇論文的第一作者均為該課題組的博士生楊俊杰。

值得關(guān)注的是，在本次 IEDM 大會(huì)中，功率器件分會(huì)共 13 篇論文，其中北京大學(xué) 3 篇，這是 IEDM 大會(huì)中極為罕見的場(chǎng)景：中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在微電子器件國(guó)際頂級(jí)會(huì)議一個(gè)主要的研究方向上成為主力。

圖丨魏進(jìn)課題組部分成員合影（來源：魏進(jìn)）

后續(xù)，魏進(jìn)將與團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索 GaN 超高壓功率器件的性能邊界，嘗試通過技術(shù)創(chuàng)新突破一個(gè)個(gè)曾經(jīng)認(rèn)為的性能極限，從而展示 GaN 功率器件的巨大潛力。

據(jù)悉，研究人員已申請(qǐng)多項(xiàng)相關(guān)專利，同時(shí)也在與企業(yè)界保持溝通，探索合作開發(fā)的具體事項(xiàng)。與此同時(shí)，他們也將積極研究 GaN 功率器件的應(yīng)用技術(shù)，與其他合作者及產(chǎn)業(yè)界合作，共同探究 GaN 功率器件在應(yīng)用中問題，并提出相關(guān)解決方案。

該技術(shù)的提升空間仍然很大，從 GaN 半導(dǎo)體材料的物理特性來說，器件的擊穿電壓還有提升空間，導(dǎo)通電阻也可進(jìn)一步降低。

另外，魏進(jìn)課題組也在積極探索 GaN 功率集成技術(shù)[5]，在同一芯片集成不同種類的器件，形成具備各種功能的智能功率集成電路，實(shí)現(xiàn)易用、可靠、小型化。

參考資料：

1. J. Cui, J. Wei, M. Wang, Y. Wu, J. Yang, T. Li, J. Yu, H. Yang, X. Yang, J. Wang, X. Liu, D. Ueda, and B. Shen, 6500-V E-mode active-passivation p-GaN gate HEMT with ultralow dynamic RON. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 26-1.

2. J. Wei, R. Xie, H. Xu, H. Wang, Y. Wang, M. Hua, K. Zhong, G. Tang, J. He, M. Zhang, and K. J. Chen, Charge storage mechanism of drain induced dynamic threshold voltage shift in p-GaN gate HEMTs. IEEE Electron Device Letters, 40, 4, 526-529, 2019.

3. J. Yang, J. Wei, M. Wang, T. Li, J. Yu, J. Wang, and B. Shen, Simultaneously achieving large gate swing and enhanced threshold voltage stability in metal/insulator/p-GaN gate HEMT. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 9-4.

4. J. Yang, J. Wei, M. Wang, M. Nuo, H. Yang, T. Li, J. Yu, X. Yang, Y. Hao, J. Wang, and B. Shen, 650-V GaN-on-Si power integration platform using virtual-body p-GaN gate HEMT to screen substrate-induced crosstalk. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 9-6.

5. J. Wei, Z. Zheng, G. Tang, H. Xu, G. Lyu, L. Zhang, J. Chen, M. Hua, S. Feng, T. Chen, and K. J. Chen, GaN power integration technology and its future prospects. IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, doi: 10.1109/TED.2023.3341053.