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（原标题：GaN的畴昔，是什么？）

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夙昔两年中，氮化镓诚然发展飞快，但似乎仍是碰到了瓶颈。与此同期，不少垂直氮化镓的初创企业倒闭或者卖盘，这激勉群众对垂直氮化镓畴昔的担忧。为此，在本文中，咱们先对氮化镓畴昔的发展进行分析，并究诘了垂直氮化镓器件设备的最新进展以及研究的可靠性挑战。

氮化镓的畴昔：

高电压、高电流和双向性

氮化镓功率器件正在渗入并提高包括快速充电器和电源在内的多种破钞类诳骗的成果。专家市集对此反应锐利，氮化镓的诳骗在手机和札记本电脑等便携缔造（功率范围在 65 到 250W 之间）的快速充电器以及高达 3.2 kW 的电源中茁壮发展。

跟着氮化镓初始在低功率诳骗中部署并理会注解其在现场的可靠性，咱们咫尺看到了氮化镓渗入到高功率诳骗的契机，这将对经济、生态和社会产生更践诺性的影响。遒劲的机遇存在于能量集聚、汽车、数据中心和东谈主工智能规模。为了杀青这一盘算，必须对蹙迫元素进行完善。为了提供高功率，氮化镓必须处理高电压和高电流，不仅要高效，还要安全、可靠且低资本。氮化镓领有整个顺利的特点。

在本文中，咱们将先容突破性的赋能本领：1200V 额定值、大外延氮化镓器件（电流额定值高达 170A，单芯片功率高达 14kW 的记录）、高达 5μs 的短路智商（用于故障安全操作）以及用于新式、更紧凑电路拓扑的单片双向开关，从而杀青更轻、更小、更高效、更可靠的治疗系统。

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高压氮化镓 (1200V)

氮化镓 HEMT 具有特殊的上风，不错工作于买卖上蹙迫的宽电压范围，从 100V 到 1200V，何况相对于硅 IGBT、硅 CoolMOS 和碳化硅晶体管具有竞争上风。直到几年前，1200V 似乎在买卖上使用氮化镓是弗成行的。但在 2020 年头，低资本、高性能的 1200V 氮化镓处理决议出咫尺东谈主们视野中。Transphorm 展示了1200V氮化镓，它使用在蓝相持（一种具有出色电绝缘性的材料）上千里积的材料构建的横向 HEMT，以摒除漏极和衬底之间的击穿，并阻断 1200V 及更高的电压。横向 1200V 氮化镓 HEMT 保留了横向 HEMT 的整个优点：高转移率（裁减存储电荷）、大面积（提高热导率）和低制形资本。用蓝相持代替硅不错保捏低居品资本和高热性能。在前谈制造经由中，蓝相持上 III-N 缓冲层的厚度不错减少 60% 以上，从而裁减外延资本，同期保捏致密的晶体质地和高电绝缘性，这不仅在 150 毫米基板上，而且在 200 毫米基板上亦然如斯。在后谈工艺中，蓝相持不错减薄到 150-200 微米，以匹配硅的热导率。蓝相持仍是是氮化镓 LED 的首选衬底，领有多量的专科学问和工业广阔量生态系统。

在这项责任中，咱们展示了汲取蓝相持衬底上高电子转移率晶体管（HEMT）制造的 1200 V GaN 开关的末端（图 1）。使用封装在 TO-247 封装内的 70 mΩ 蓝相持衬底 GaN 2 芯片常关型 GaN FET，咱们赢得了 900:450V 降压治疗器在 50 kHz 下大于 99% 的成果。该器件施展出出色的开关品性因数，Ron?Qg = 0.9 Ω?nC，Ron?Qrr = 11 Ω?nC。这些末端标明，经过优化的蓝相持衬底 GaN 本领不错成为 1200V 功率器件市集的极具竞争力的平台。咫尺正在进行重迭性和认证任务，以期尽快推出中高功率居品。

图 1. 基于低资本、大直径、绝缘蓝相持衬底的 1200V 氮化镓 HEMT 级辘集构

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高电流氮化镓（170A）

如今，氮化镓处理决议诳骗于功率介于 65W 和 3.2kW 之间的低功率和中功率诳骗，处理的电流仅为几安培到几十安培，芯单方面积为几百平淡微米。但是，莫得任何物理穷苦扼制氮化镓处理决议处理数百安培的电流，并诳骗于 10kW 以致 100kW 以上的高功率诳骗。在这项责任中，咱们展示了高电流氮化镓原型的新数据，其导通电阻为 10mOhm，额定直流电流朝上 170A。该芯单方面积为数十平淡毫米，并封装在传统的 TO-247-3L 封装中。

硬开关波形和升压治疗成果如图 2 所示。该器件的开关速率达到 50V/ns 和 4A/ns，从而杀青高功率和高频开关。在 50kHz、硬开关花样下责任的 240V:400V 升压治疗器中，成果峰值在 4kW 时达到 99.3%，并沉稳地降至 14kW 的功率。不错看出，在 14kW 时，结温仅为 120℃，标明还有更大的裕量不错杀青更高的功率。如斯出色性能的原因是快速的开关速率，它最大律例地减少了开关损耗；D 花样氮化镓与低压硅 MOSFET 级联建树的低动态 Ron（小于 10%）；以及电阻的低温度所有（150℃ 和 25℃ 之间小于 1.8 倍，与 SiC Trench MOSFET 本领同样），这些共同促成了运行中的低传导损耗。诚然本文展示的是 TO-247-3L 封装，但本文提倡的 10mOhm 芯片不仅不错拼装在带有 Kelvin 源和更低漏感值的名义贴装封装中，还不错动作裸芯片拼装到工业或汽车模块中。最近的研究标明，氮化镓级联器件的并联已顺利杀青高达 500A 的电流。

图2：单个 10 mOhm 氮化镓芯片的开关波形和成果弧线，展示了创记录的 99.3% 高成果和 14 kW 输出功率，且仍有晋腾飞间，因为结温仅为 120℃，远低于额定值 175℃。

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短路智商（5μS）

在电机驱动诳骗中，氮化镓（GaN）器件不仅要通过严格的 JEDEC 或 AEC-Q0101 认证，还必须概况承受由过载、纵贯、固件子虚、电流浪涌和/或外部故障条款引起的短路事件。2021 年，Transphorm 展示了一项赢得专利的 GaN 本领，在 50 毫欧器件上杀青了高达 3 微秒的短路耐受时期（SCWT）。本年，咱们带来了紧要校正，展示了一款 15 毫欧器件，其短路耐受时期延伸至 5 微秒，概况进行高功率操作（12 千瓦）。该器件汲取 TO-247 封装，额定电压为 650 伏，额定直流电流为 145 安。其峰值成果达到 99.2%，最大输出功率为 12 千瓦。在 400 伏的漏极偏置下，其短路耐受时期为 5 微秒（图 3），何况通过了 1000 小时 175 摄氏度高温反向偏置应力测试。这些数据标明了 GaN 的适合性，突破了其不具备短路智商的“传闻”。动作参考，当代栅极驱动器的保护反当令期约为 1 微秒，确保有饱和的时期检测故障并安全关闭系统，而不会导致器件损坏

图 3. 赢得专利的氮化镓本领，可杀青高达 5 微秒的短路耐受时期，从而在电机驱动逆变器中杀青故障安全运行。

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单片双向开关

由于其横向结构，氮化镓器件特殊妥当单片集成。不错将两个反串联的晶体管单片集成在一谈，形成所谓的“双向开关”（图 4）。双向开关具有两个由两个相对的栅极限制的相对的源极，何况不错沿两个标的承载电流，并在两个极性上阻断电压。这种器件架构在氮化镓中以其简便性而特殊，对于需邀功率器件承受正负相通波瓣的相通前端来说，具有蹙迫酷爱。

图 4. 单片氮化镓双向开关，具有共漏极和分享漂移区，以杀青更小的占位面积、更高的品性因数和更少的零件数目。

氮化镓双向开关支援诸如结巴矩阵双有源桥（图 5 左）、非结巴 T 型中性点钳位 (T-NPC，图 5 右) 等拓扑结构，以及更多拓扑结构。这些拓扑结构允许在单级中进行 AC/DC 或 DC/AC 治疗——无需体积强大且斯文的 DC-link 电容器——从而杀青更轻、更小、更高效、更可靠的电源系统。诳骗特殊粗拙，包括电源和电板充电器、太阳能逆变器和电机驱动器。

图 5. 使用氮化镓双向开关 (BDS) 的拓扑结构，包括结巴式矩阵双有源桥和非结巴式 T 型中性点钳位。这些拓扑结构允许单级 AC/DC 治疗，具有双向功能和更少的零件数目。由于穷乏 DC-link 电容器，因此治疗系统更轻、更小，何况由于治疗级数更少，成果更高、可靠性更高。

在这项责任中，咱们展示了一种氮化镓双向本领，其中单片集成的 D 花样双向氮化镓 HEMT 与两个低压硅 MOSFET 以级联建树邻接，以杀青常关操作。HEMT 的单片集成允许分享高压漂移区，与两个分立的氮化镓开关比较，芯片尺寸减小了 40%。低压硅 MOSFET 允许高阈值电压 (4V)、高栅极裕量 (+20V)、高可靠性以及高抗噪声和寄生导通智商。双向级联器件汲取堆叠芯片本领集成，以最大律例地减少占位面积以及互连电阻和电感（图 6）。该处理决议封装在带结巴焊片的单个 TO-247 封装中。如图 4 所示，D 花样氮化镓的漂移区在晶体管的两侧之间分享，从而显着提高了 Ron x Qg 和 Ron x Qoss 的品性因数。导通电阻为 70 mΩ，该器件具有出色的双向电流传导和电压阻断智商，具有对称的电流-电压和电容-电压特点。Ron?Qg 比邻接在反串联中的开端进的分立式碳化硅 MOSFET 低 80%，从而裁减了开关损耗，裁减了资本，减少了零件数目，并减小了占位面积。

图 6. 氮化镓双向开关 (BDS) 的杀青，使用 D 花样单片氮化镓与低压硅 FET 的级联建树，以提供高阈值电压、高栅极裕量、更高的可靠性以及抗噪声和寄生导通智商。

双向氮化镓器件已在用于单级 AC/DC 前端的矩阵有源桥中进行了测试，杀青了两个 AC 极性下的电压阻断温情利的系统演示（图 7）。

图 7. 汲取矩阵有源桥的单级 AC/DC 前端中氮化镓双向开关 (BDS) 的开关波形。正弦 3 相 AC 输入，DC 输出。

诚然氮化镓仍是在很多低功率和中功率诳骗中过问坐蓐和现场部署，但令东谈主欢喜的畴昔在于高功率契机，它将对经济、生态和社会产生更遒劲的影响。本文先容的高压和高电流氮化镓、短路智商和单片双向集成将在数据中心、东谈主工智能、交通运载等规模施展蹙迫作用。

接下来，咱们对有望挑战SiC地位的垂直氮化镓氮化镓进行分析。

垂直氮化镓，尚能饭否？

如群众所见在功率治疗规模，宽带隙半导体正在飞快取代硅器件。大能隙（碳化硅为 3.23 eV，氮化镓为 3.4 eV）和相应的大击穿场使这些材料成为设备高效功率半导体器件的理思材料（材料对比见表 I）。

在功率半导体规模，咫尺汲取了几种器件结构，如图 1 所示。超结晶体管有助于在给定芯片尺寸的情况下最大律例地减少传导损耗，因此是硅器件的可靠处理决议；碳化硅晶体管基于不同的主张（JFET、平面 MOSFET 或沟槽 MOSFET），盘算电压可达 2 kV 或更高。市面上销售的氮化镓晶体管基于横向 HEMT（高电子转移率晶体管）想象，由于使用了通过极化掺杂产生的二维电子气体 (2DEG)，可确保高转移率和低寄生。

硅、碳化硅和氮化镓商用器件之间的比较（图 2）标明，氮化镓 HEMT 结构的栅极电荷、反向收复电荷和 ? 乘积王人要低得多，从而大大裁减了功率治疗器中的电阻损耗和开关损耗。最近，氮化镓规模的改革来自垂直器件结构的设备，以进一步提高功率密度和电流密度 。

接下来，咱们探讨了具有垂直结构的功率 GaN 器件在运行和可靠性方面所濒临的挑战。咱们先容了在咱们实验名堂中赢得的最新原始数据：在土产货和外来衬底上滋长的特点；硅基氮化镓外延中雪崩智商的理会注解；阈值电压不踏实性的物理根源；导致器件击穿的经由以及可能的校正战略。

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可靠性挑战

A.优化漂移区以提高性能/可靠性

垂直氮化镓器件的性能在很猛进度上取决于漂移区的特点。裁减意外杂质浓度成心于提高转移率。对于高残余碳(~1017?3 )，已索取出低至 202 /()的转移率，而对于更高质地的材料，则有报谈称其转移率值约为 9602 /()，可与碳化硅的转移率相比好意思。漂移区的残余电导率也会放浪为宝贵过大走电流而施加到堆栈上的最大电压。为了研究这个问题，咱们在原生氮化镓衬底上滋长了厚度为 10 μm 的漂移层（在 pn 结中，图 3），掺杂水平约为8 ? 1015?3；这种结构的击穿电压可达 1.2 kV 以上（图 4），即与碳化硅器件的电压范围兼容。

咱们提防到，与垂直GaN-on-GaN（< 104 ?2）比较，在低资本的海外衬底上滋长会诱发更大的位错密度 108 ?2。这可能会导致更高的走电流（见图 4 中蓝相持衬底上的数据）：在电压低于 1200 V 的外来衬底上运行是可行的。值得提防的是，咱们最近在硅基氮化镓伪垂直 pn 二极管中演示了近千伏的雪崩智商（图 5），这是可靠运行的必要特点（存在于硅和碳化硅器件中）。

B、移除衬底和垂直膜主张

不雅察图 1 中的主要硅和碳化硅器件结构，不错了解到对于氮化镓垂直器件来说，垂直电流流亦然一个必要条款，以尽量减少寄奏效应和电流拥堵效应。要是使用的是土产货衬底，可通过在晶片底部顺利千里积金属来杀青。对于外来衬底，可通过在晶体管区域下方局部移除衬底来杀青。典型的工艺是蚀刻（用于硅衬底）或激光剥离（用于蓝相持衬底）。图 6 骄横了由此产生的结构以及器件图片和 ID-VD 弧线；为确保高导电性，使用了钛/铝后面触点，并用铜金属化加固。在 VD=1V 和 VG=20V 条款下索取时，0.52 平淡毫米晶体管的最好 RonA 测量值为 5.2 mOhmcm2。

C、电荷拿获气候和不踏实性

碳化硅器件在正栅极应力作用下可能会出现权贵的阈值电压偏移（0.5V-1 V ）。典型的经由包括（图 7a的范围/界面态的电子拿获 图7b）冲击电离引起的空穴拿获。

为了研究氮化镓垂直 MOS 结构中阈值不踏实性的物理根源，咱们瞄准垂直 MOS 电容器（图 8）和 MOSFET（图 9）进行了粗拙分析，并议论了两种不同的电介质（Al2O3 和 SiO2）。

对 MOS 电容器（Al2O3 电介质）进行的脉冲电容-电压（C-V）分析标明，存在正（PBTI）和负（NBTI）阈值不踏实性（图 10），C-V 弧线中存在特征性 “驼峰”。通过快速 CV 测量对界面陷坑密度进行了实验臆想，末端标明以 EC-0.6 eV 为中心存在一个深电平峰（图 11）。得到的陷坑散播被输入到 TCAD 模拟中（图 12），末端与实验数据特殊吻合。C-V 弧线中的驼峰是由于费米级在电荷散播峰值对应的能量处被钉住。

为了笃定 Al2O3 千里积的最好条款，咱们进行了进一步的实验。末端（图 13）标明，与等离子体增强 ALD（PEALD）比较，热 ALD（ThALD）赢得的 CV 滞后较低。但是，由于 ThALD 的安详性可能有限，搀和（ThALD/PEALD）堆栈被合计是最有但愿用于 Al2O3 垂直 FET 的千里积工艺。

对于 MOSFET（使用二氧化硅电介质）中的电荷拿获，发现第一代器件在正栅极应力的作用下，阈值电压会出现昭彰的正移（图 14）。

议论到沟谈电子向氧化硅陷坑态的隧穿，不错提倡一个数学模子来解释能源学。通过议论隧穿概率（图 15 中的公式 (i)）和计较陷波电荷积分（图 15 中的公式 (ii)），咱们概况准确地再现实验数据，并与图 15 插图中的模子保捏一致。咱们还进行了 TCAD 模拟，以研究范围（BT）和界面（IT）陷坑的作用。对陷坑散播进行了校准，同期议论了带隙上半部分的供体和 EC 隔邻局促散播的受体。

末端标明，栅极电压越高，电子从沟谈到 BT 的隧穿概率越高，阈值电压也随之变化（图 16）。新一代器件（图 17，器件 B）骄横电子拿获大大减少。从器件 A 到器件 B 的紧要校恰是通过改变 SiO2 千里积工艺杀青的，从 785 ℃ 的低压 CVD（LPCVD）和 800 ℃ 的 PDA，到 880 ℃ 的 LPCVD 和 900 ℃ 的 PDA。

D. 失效经由

一系列栅极和漏极阶跃应力实验评估了氮化镓垂直器件的可靠性。在栅极阶跃应力时期，在具有 70 nm SiO2 栅极电介质的器件上，发现栅极电流在 VG=45 V 时不错忽略不计（图 18 (a)）；在更高的电压水平上，载流子通过氧化物注入导致走电流增多，直到在 VG=60 V 时失效。在碳化硅器件上进行的近似实验标明，载流子通过 Fowler-Nordheim 地谈从半导体注入栅极的作用很大；显现在较高的栅极电压下可能会导致电子在氧化物中拿获，从而使阈值电压发生正向移动（见图 18 (b)，并与之进行比较，发现碳化硅器件的失效电压与其近似）。不雅察到的失效经由归因于栅极绝缘体的击穿；在垂直 FET 中，由于电场的拥堵，沟槽角可能是成心的失效点（图 18 (c)）。

此外，在栅极接地、漏极电压较高的漏极应力情况下，氧化物中的电场可能接近电介质的击穿场强。图 19（a）骄横了模拟末端（VG=0 V，VD=100 V），标明电场朝上 6 MV/cm。与碳化硅器件的比较标明，经管沟槽两侧和底部的电场是确保高离态可靠性的关键次第。东谈主们提倡了多样处理决议，包括底部厚氧化物 、双沟槽结构、双 p 基底结构和底部保护 p 阱 。此类处理决议也正在对氮化镓垂直场效应晶体管进行初步探索（即使氮化镓的区域采用性 p 型掺杂不如碳化硅老到）：图 19 (b) 骄横了一个例子，与对碳化硅所作念的近似，沟槽底部（标志为 “p-阱”）遗弃了一个 p 型屏蔽，以权贵裁减关态条款下电介质上的场强（与图 19 (a) 比较）。

一言以蔽之，氮化镓垂直器件是下一代电力电子器件的绝佳处理决议。原生衬底可确保 >1.2 kV 责任电压下的最低走电流，而蓝相持和硅等外来衬底则可在衬底移除的情况下用于较低电压责任。为了赢得低资本的氮化镓垂直本领，咱们提倡了垂直膜晶体管的主张。通过外延和工艺优化，达到了接近 kV 的击穿电压，并在硅衬底上展示了雪崩智商。

关键的电荷拿获经由已被识别和建模；针对 Al2O3 和 SiO2 电介质，提倡了将阈值电压不踏实性降至最低的处理决议。针对栅极和漏极应力，笃定并描摹了垂直氮化镓器件的主要失效经由。

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