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工業(yè)電子應(yīng)用”的固有觀念。

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)。


行業(yè)瓶頸：GaN 功率器件難以用于千伏級別電壓等級

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陷阱響應(yīng)速度極為緩慢，一旦填充電子需要很長時(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)場板結(jié)構(gòu)，可以將 650V 電壓等級的 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，對于更高電壓等級的器件，所需場板數(shù)量成比例增加，每增加一個(gè)場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：GaN 功率器件不適用于千伏級別的電壓等級。


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)消除表面深能級陷阱態(tài)的影響。彼時(shí)，很多國內(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)明了一種測試方法，對器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷量與閾值電壓漂移量分別測試，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，讓“動(dòng)態(tài)閾值電壓”概念成為 GaN 功率器件的普遍共識。

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)我們再思考如何屏蔽表面深能級陷阱態(tài)時(shí)，意識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。”

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)生的場效應(yīng)，來恢復(fù)屏蔽層下方的電子濃度。”

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陷阱為溝道提供電子，而該器件則是利用柵極電壓的場效應(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陷阱態(tài)，并且，表面深能級陷阱態(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。


氮化鎵應(yīng)用不斷擴(kuò)充

前10年一直在消費(fèi)電子領(lǐng)域沖浪的氮化鎵（GaN）技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，近兩年來逐漸在汽車、數(shù)據(jù)通信以及其他工業(yè)應(yīng)用等行業(yè)嶄露頭角。

消費(fèi)領(lǐng)域一直是原始設(shè)備制造商（OEM）采用GaN的主要驅(qū)動(dòng)力，其中電力設(shè)備市場為主流市場，快速充電器為主要應(yīng)用，此外還包括一些音頻設(shè)備等。借助GaN，智能手機(jī)制造商可以制造尺寸更小且性價(jià)比更高的充電器。

目前市場上大多數(shù)基于GaN的充電器都在65W左右或以下，業(yè)界表示這是性價(jià)比的“最佳點(diǎn)”。但是，隨著市場對于更高功率的需求，智能手機(jī)快速充電器的目標(biāo)功率高于75的新趨勢可能會(huì)在不久的將來推動(dòng)智能手機(jī) OEM對GaN的采用。大多數(shù)國家超過75W的功率需要功率因數(shù)校正(PFC)電路，這需要使用更多的GaN含量。

另外，在汽車、數(shù)據(jù)通信以及其他工業(yè)應(yīng)用中GaN技術(shù)的得到進(jìn)一步應(yīng)用。比如在汽車領(lǐng)域，其主要驅(qū)動(dòng)力將是電動(dòng)汽車的車載充電器（AC-DC轉(zhuǎn)換）以及DC/DC轉(zhuǎn)換器（電壓范圍為48V至400V）。市場消息顯示，大概到2030年左右，OEM將開始考慮在主逆變器 (650-800V) 中集成GaN。

從市場情況看，在過去幾年越來越多的汽車制造商與GaN器件供應(yīng)商合作。如德國汽車系統(tǒng)制造商ZF與以色列GaN公司VisIC合作，意大利汽車零部件制造商Marelli則與GaN器件公司Transphorm合作等。


氮化鎵器件有望持續(xù)放量

第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)越性、實(shí)用性和戰(zhàn)略性，被許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)列入國家計(jì)劃，進(jìn)行全面部署，包括氮化鎵在內(nèi)的器件將成為發(fā)展主流。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈一般劃分為上游的材料即襯底和外延片、中游的器件和模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用。從各環(huán)節(jié)來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術(shù)積累、專利申請數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對優(yōu)勢。

我國在自主替代大趨勢下，目前在氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足，在政策支持下已在技術(shù)與生產(chǎn)方面取得進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對聚焦中游，多家國內(nèi)企業(yè)已擁有氮化鎵晶圓制造能力。

此外，5G通訊的革命性轉(zhuǎn)變重塑了射頻技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也為我國氮化鎵器件帶來重大的市場機(jī)遇。5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅(qū)動(dòng)因素之一，氮化鎵射頻器件主要應(yīng)用于無線通訊，占比到達(dá)49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優(yōu)勢使得射頻器件應(yīng)用在5G基站中更加合適。隨著國內(nèi)5G基站覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻器件需求將更大。

此前，通過性能優(yōu)化、產(chǎn)能提升、成本控制之后，我國氮化鎵在消費(fèi)電子領(lǐng)域逐漸站穩(wěn)了腳跟，成為主要驅(qū)動(dòng)力。未來，隨著下游新應(yīng)用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術(shù)不斷取得突破，氮化鎵器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。


市場接受度和行業(yè)景氣度不斷攀升

目前，氮化鎵已經(jīng)擁有了足夠廣闊的應(yīng)用空間。作為第三代半導(dǎo)體新技術(shù)，也是全球各國爭相角逐的市場，并且市面上已經(jīng)形成了多股氮化鎵代表勢力，氮化鎵的市場接受度和行業(yè)景氣度正在不斷攀升，技術(shù)革新也在不斷推進(jìn)。

同時(shí)，隨著5G通信生態(tài)、AIGC、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，高速、高效、高能的半導(dǎo)體器件需求將日益增加，氮化鎵器件作為重要的功率和射頻器件，將具備廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，隨著新基建、新能源、新消費(fèi)等領(lǐng)域的持續(xù)推進(jìn)，氮化鎵器件將在太陽能逆變器、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等方面得到廣泛應(yīng)用。

因此，伴隨5G通信和消費(fèi)電子業(yè)務(wù)的確定性增長、新能源賽道與數(shù)據(jù)中心的集中爆發(fā)，未來3-5年氮化鎵器件將在5G通信基站、高功率電源、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域出現(xiàn)較快增長。

可以說，氮化鎵在性能、效率、能耗、尺寸等方面較市場主流的硅功率器件均有顯著數(shù)量級的提升，但其發(fā)展也面臨著許多問題。一方面，氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)，完全要靠人工合成。氮化鎵沒有液態(tài)，因此不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的直拉法拉出單晶，純靠氣體反應(yīng)合成。另一方面，由于反應(yīng)時(shí)間長，速度慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，設(shè)備要求苛刻，技術(shù)異常復(fù)雜，產(chǎn)能極低，導(dǎo)致氮化鎵單晶材料極其難得。但是目前來看，缺點(diǎn)在于產(chǎn)品成本很高，不利于大批量生產(chǎn)。

期待氮化鎵產(chǎn)業(yè)快速增長的同時(shí)，要想氮化鎵產(chǎn)能提升、成本控制并形成完全產(chǎn)業(yè)鏈，所面對的挑戰(zhàn)也不容小覷。目前，我國多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始著手攻克相關(guān)難題，期待我國憑借氮化鎵等材料技術(shù)優(yōu)勢，早日實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體真正自主可控。