GaN基功率器件具有臨界擊穿電場(chǎng)高、電子遷移率高、極限工作溫度高等特性，在新一代移動(dòng)通訊、服務(wù)器集群、新能源技術(shù)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有重大應(yīng)用， 是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的研究前沿和全球高科技競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。
北京大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心魏進(jìn)研究員與物理學(xué)院沈波教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)過(guò)去5年面向GaN基功率器件的頻率瓶頸、可靠性瓶頸、耐壓瓶頸這三大技術(shù)挑戰(zhàn)開展了系統(tǒng)的研究工作，攻克了GaN基功率器件動(dòng)態(tài)閾值穩(wěn)定性難題，實(shí)現(xiàn)了高壓橋式集成與低壓CMOS集成，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)伏級(jí)GaN基高壓器件。研制的多個(gè)器件性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的頂尖國(guó)際會(huì)議——國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上2023年與2024年共入選5篇高水平論文（2023—2024年IEDM上GaN基功率器件方向論文全球共24篇，北大的論文數(shù)排名全球第一）。
單芯片集成技術(shù)是提升GaN基功率芯片高頻特性的主要技術(shù)路徑，該技術(shù)長(zhǎng)期受限于高壓信號(hào)的串?dāng)_效應(yīng)及p溝道晶體管的低電流密度。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了虛體隔離技術(shù)，利用移動(dòng)空穴巧妙實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓信號(hào)的屏蔽。該工作在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了650V Si基GaN高壓集成芯片（IEDM, 2023, Sec.9-6）；該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了極化增強(qiáng)電離概念，大幅提升了p溝道晶體管的電流密度，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上傳輸延遲最小的GaN基CMOS集成電路芯片（IEDM, 2024, Sec.16-1）。
圖1 高頻GaN基功率集成技術(shù)原理與芯片測(cè)試結(jié)果
器件可靠性是制約GaN基功率器件廣泛應(yīng)用的難點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)動(dòng)態(tài)閾值電壓漂移這一難題，該團(tuán)隊(duì)提出了金屬/絕緣層/p-GaN新型器件結(jié)構(gòu)，一方面實(shí)現(xiàn)了近20V的柵極電壓冗余，另一方面消除了動(dòng)態(tài)閾值電壓漂移。該工作大幅提升了器件魯棒性，攻克了閾值電壓不穩(wěn)帶來(lái)的系統(tǒng)誤開啟難題，使GaN基功率器件實(shí)現(xiàn)了與Si基MOSFET器件類似的工作模式（IEDM, Sec.9-4, 2023）。
圖2 高可靠性GaN基MIP器件的SEM照片與測(cè)試結(jié)果
超高壓GaN基功率器件的發(fā)展長(zhǎng)期受限于高場(chǎng)陷阱效應(yīng)所引起的動(dòng)態(tài)電阻退化以及電場(chǎng)聚集效應(yīng)引起的提前擊穿。針對(duì)上述難題，該團(tuán)隊(duì)提出了新型有源鈍化晶體管，實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓大于1萬(wàn)伏的增強(qiáng)型GaN基功率器件，在高達(dá)6500V工作電壓下實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)電阻的抑制。這是國(guó)際上首次報(bào)道GaN基功率器件在2kV以上的低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性，器件品質(zhì)因數(shù)為國(guó)際報(bào)道最高值（IEDM, 2023, Sec.26-1； IEDM, 2024, Sec.25-3）。
圖3 萬(wàn)伏級(jí)GaN晶體管SEM照片與測(cè)試結(jié)果
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部、北京市等項(xiàng)目的資助以及北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心、微納/納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、國(guó)家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、集成電路高精尖創(chuàng)新中心等基地平臺(tái)的支持。
來(lái)源： 北京大學(xué)集成電路學(xué)院
