北大年夜团队研发超低动态电阻氮化镓高压器件耐压能力大年夜于6500V

研究职员在 GaN 功率器件的表面引入新型有源钝化构造，在蓝宝石衬底成功制备具有该构造的新型器件。

通过供应低本钱的增强型 GaN 功率器件办理方案，占领了制约 GaN 功率器件近 30 年的动态电阻难题，冲破了“GaN 功率器件不适用于千伏级工业电子运用”的固有不雅观念。

图丨魏进（来源：魏进）

详细来说，在 4500V 事情电压下，超高压 GaN 功率器件的动态电阻退化仅为 2%。
与之比拟的是，同一晶圆上的传统器件在 500V 事情电压下，动态电阻退化已超过 100%。

该技能有望为新能源汽车、轨道交通、电力传输、分布式储能、清洁能源、数据中央电源等运用设备供应高效率、轻量化、小型化的能源管理系统。

图丨干系论文（来源：IEDM）

近日，干系论文揭橥在美国旧金山举办的 IEEE 国际电子元件会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，题目为《具有超低动态电阻的 6500V 有源钝化氮化镓 p 型栅高电子迁移率晶体管》（6500-V E-mode active-passivation p-GaN gate HEMT with ultralow dynamic RON）。

北京大学博士研究生崔家玮为论文第一作者，北京大学魏进研究员、王茂俊副教授、沈波教授为论文共同通讯作者，互助单位包括清华大学、日本名古屋大学。

行业瓶颈：GaN 功率器件难以用于千伏级别电压等级

GaN 半导体材料因具备卓越的耐压与输运特性，有望推动电子设备在系统效率提升、系统微型化发展方面取得革命性进展。

目前，GaN 功率器件的电压等级并非受限于击穿电压，而是被局限于高压事情后的动态电阻退化。
动态电阻退化源于器件表面的深能级陷阱相应速率极为缓慢，一旦添补电子须要很永劫光才能规复，这些表面负电荷排斥沟道中的电子引起动态电阻退化。

同时，GaN 功率器件又依赖于表面深能级陷阱态，为导电沟道供应载流子。
因此，动态电阻退化被认为是 GaN 功率器件的本征特性之一。

经历近 20 年的研究，目前业界普遍采取 3 至 4 个场板构造，可以将 650V 电压等级的 GaN 功率器件的动态电阻退化掌握在可接管的程度。

然而，对付更高电压等级的器件，所需场板数量成比例增加，每增加一个场板就须要多一次光刻。
若想实现 6500V 的 GaN 功率器件，则须要几十次额外的光刻，因此失落去了现实意义。

有鉴于此，工业界与学术界形成普遍的共识：GaN 功率器件不适用于千伏级别的电压等级。

办理有源钝化 GaN 晶体管的三个技能难题

那么，是否有可能从根本上办理动态电阻退化的问题呢？

早在 20 年前，美国加州大学圣巴巴拉分校研究职员考试测验采取一个 p 型半导体层，来屏蔽器件表面陷阱的影响，但未取得空想的结果。

魏进在喷鼻香港科技大学读博时，就开始思考如何利用屏蔽效应肃清表面深能级陷阱态的影响。
彼时，很多国内外课题组创造 GaN 功率器件阈值电压漂移的征象，并认为这是 GaN 半导体材料毛病引起的。

2019 年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件时，创造在某些情形下，由于器件构造设计，会涌现电荷存储征象造成器件特性漂移。
因此，当产生电荷丢失时，没有电荷源泉可以快速补充电荷，导致器件稳定性变差。

经由剖析，魏进创造 GaN 功率器件有类似之处。
“这解释 GaN 器件的阈值电压实质上是动态变革的，而非由材料毛病所导致。
”他说。

后续很永劫光，魏进都在研究如何验证这一理论。
他与所在团队发明了一种测试方法，对器件内部的存储电荷量与阈值电压漂移量分别测试，创造这二者完备吻合。

基于此，他们提出 GaN 功率器件动态阈值电压理论[2]，让“动态阈值电压”观点成为 GaN 功率器件的普遍共识。

加入北京大学后，魏进课题组的研究方向是功率半导体器件，研究重点包括 GaN 功率器件、SiC 功率器件以及功率集成电路技能。

他和团队成员再次将把稳力投入到“动态电阻退化”这个古老的方向上。
之前，在动态阈值电压理论上的研究给他们供应了主要的思路。

魏进表示：“当我们再思考如何屏蔽表面深能级陷阱态时，意识到为屏蔽层供应能够快速相应的电荷源泉，是办理问题的关键。
因此，我们有了这一观点的雏形。
”

（来源：IEDM）

最初，该团队认为，屏蔽电荷的源泉该当是固定电位，器件中的固定电位只有器件源极，即参考电压 0V。
然而，p 型屏蔽层的引入会耗尽下方的电子沟道，造成电子浓度的减少乃至消逝。

因此，他们将研究重点放在若何填补屏蔽层下方的电子丢失。
魏进表示：“有一天我溘然想到，屏蔽层与栅极连接可利用栅极的正电压所产生的场效应，来规复屏蔽层下方的电子浓度。
”

图丨在蓝宝石衬底上制备的超高压 GaN 功率器件透射电镜图像（来源：IEDM）

在零电压偏置下，有源钝化层耗尽下方的电子沟道，实现增强型事情模式。
当须要器件导通时，研究职员采取一种与传统器件截然不同的办法产生电子沟道。

详细来说，传统器件利用表面深能级陷阱为沟道供应电子，而该器件则是利用栅极电压的场效应浸染，重新在沟道中产生高浓度的电子。

但这时仍有一个棘手的问题：器件的耐压能力是否会受到有源钝化构造的影响？根据在 GaN p 沟道晶体管的研究履历，魏进创造，当 p 型层足够薄时可被耗尽，从而实现超高的耐压能力。

至此，有关有源钝化 GaN 晶体管的三个紧张技能难题被完美办理，即如何实现低动态电阻、如何实现增强型事情模式、如何承受高压。
“干系的实验结果也充分验证了我们的想法。
”魏进说。

该器件展示了沟道电子的产生可以不依赖于表面深能级陷阱态，并且，表面深能级陷阱态的影响从事理上能够被完备肃清。
终极，该器件同时实现了三个关键特性：大于 6500V 的超高耐压、增强型事情模式以及超低动态电阻。

以低本钱实现性能“飞跃”

目前，成熟的超高压功率器件是垂直型 Si 绝缘栅双极晶体管或 Si 晶闸管，但它们的开关频率非常低。
一种办理方案是采取宽禁带半导体 SiC 功率器件，以大幅度提高开关频率。

但是，SiC 超高压器件须要分外的厚外延工艺，且须要将外延材料的背景掺杂掌握到极低的水平，这须要极高的本钱。
对付 SiC 功率器件，额外的本钱还包括昂贵的衬底及分外的高温工艺设备。

GaN 超高压器件采取与低压器件相同的外延材料、蓝宝石衬底、成熟的 Si 工艺设备。
据理解，该技能采取低压器件的流程，乃至不用专门为超高压器件区开拓工艺流程，仅须要修正版图设计。

据研究团队估计，在大规模量产条件下，同等电流水平的 GaN 器件的本钱靠近 Si 器件，但是却能带来性能上的“飞跃”。

目前，美国在 GaN 超高压器件领域投入大量研发资源，而中国在该领域的研究处于天下领先的水平。
然而，中国干系配套技能的研发仍未启动。
魏进表示：“希望我们的研究结果能够鼓励海内涵 GaN 超高压器件的研发投入，推动配套技能从实验室进入到产品化阶段的研发。
”

（来源：IEDM）

未来，功率器件的打破有望带来能源管理技能的变革。

人们可能会看到笨重的电力变电站变得更加小型化，从而能够更加灵巧地在城市布局；电动汽车中体型弘大的电机驱动与充电模板变得更加小型化，进而腾出宝贵的乘用空间或安装更高容量的电池，以大幅度地提高续航里程。

功率器件的打破更有望对未来社会的组织办法产生深远的影响，使曾经受限于能源管理系统的重量与体积，以及设备的续航能力的观点性运用更快地进入实用，例如小型载人翱翔器、穿着式机器外骨骼等。

连续探索 GaN 超高压功率器件的性能边界

本届微电子器件的最高学术会议 IEDM 上，魏进课题组还另展示了两篇论文，分别是占领 GaN 动态阈值电压漂移[3]，以及在体硅衬底上实现 650V GaN 集成电路[4]。
两篇论文的第一作者均为该课题组的博士生杨俊杰。

值得关注的是，在本次 IEDM 大会中，功率器件分会共 13 篇论文，个中北京大学 3 篇，这是 IEDM 大会中极为罕见的场景：中国的研究团队在微电子器件国际顶级会议一个紧张的研究方向上成为主力。

图丨魏进课题组部分成员合影（来源：魏进）

后续，魏进将与团队进一步探索 GaN 超高压功率器件的性能边界，考试测验通过技能创新打破一个个曾经认为的性能极限，从而展示 GaN 功率器件的巨大潜力。

据悉，研究职员已申请多项干系专利，同时也在与企业界保持沟通，探索互助开拓的详细事变。
与此同时，他们也将积极研究 GaN 功率器件的运用技能，与其他互助者及家当界互助，共同探究 GaN 功率器件在运用中问题，并提出干系办理方案。

该技能的提升空间仍旧很大，从 GaN 半导体材料的物理特性来说，器件的击穿电压还有提升空间，导通电阻也可进一步降落。

其余，魏进课题组也在积极探索 GaN 功率集成技能[5]，在同一芯片集身分歧种类的器件，形成具备各种功能的智能功率集成电路，实现易用、可靠、小型化。

参考资料：

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.

排版：刘雅坤