改进GaN器件架构

摘要：GaN 在个人电子设备充电器等低功耗应用中尤其成熟，而硅和 SiC 在高功率应用中则具有优势。最近的 IEEE 电子设备会议就此主题进行了多种变体讨论。例如，Cambridge GaN Devices 联合创始人兼首席技术官 Florin Udrea 将“集成

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering

新颖的组合显示出对不同应用的前景。

随着功率器件的应用范围不断扩大，设计人员发现没有一种半导体能够满足整个电压和电流范围的要求。相反，组合电路针对整个工作范围的不同部分使用不同的材料。

GaN 在个人电子设备充电器等低功耗应用中尤其成熟，而硅和 SiC 在高功率应用中则具有优势。最近的 IEEE 电子设备会议就此主题进行了多种变体讨论。例如，Cambridge GaN Devices 联合创始人兼首席技术官 Florin Udrea 将“集成电路增强型 GaN”（ICeGaN）模块与硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 相结合，构建了电动汽车牵引逆变器。ICeGaN 模块包括 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT)，以及传感器和浪涌保护元件。

在 GaN HEMT 中，电荷传输主要依赖于二维“电子气”（2DEG）。2DEG 的形成是因为 AlGaN 和 GaN 界面处的拉伸应变导致自发极化和界面处能带结构的不连续性。极化区域内的电子迁移率很高（约为 1500平方厘米 /伏特秒），但极化区域外的电子迁移率很低，这有效地将载流子限制在界面附近。

在 HEMT 中，2DEG 区域位于电容器的两个极板之间。在耗尽型器件中，当顶极板（栅极）为正时，它会在另一极板上感应出正电荷。负载流子（电子）从通道中耗尽并积聚在两个极板上，从而降低电导率。耗尽型器件通常处于“开启”状态。当栅极电压低于阈值电压时，电流会流动。但出于安全原因，通常“开启”的器件在电源控制应用中是不受欢迎的。

相比之下，增强型器件（如 Udrea 的 ICeGaN 模块中使用的器件）通常处于“关闭”状态。当栅极电压低于阈值电压时，没有电流流动。当器件开启时，栅极上的正电荷会将电子从 p 掺杂的块体材料拉入通道。当漏源电压低于约 0.5V 时，ICeGaN 模块效率更高，而硅晶体管在较高电压下更胜一筹。低负载性能在牵引逆变器等应用中尤其重要，因为这些器件 85% 以上的时间都在低负载状态下运行。

图 1：ICeGaN – IGBT 组合器件的导电特性。

SiC 和 GaN 也具有很好的互补性。香港科技大学的研究员 Ji Shu 和他的同事将低压 e-mode GaN HEMT 与高压 SiC结型场效应晶体管(JFET) 面对面安装在一起，由此产生的两级共源共栅器件结合了两种材料的最佳品质。GaN 的高迁移率提高了开关速度并降低了器件电阻，而两个晶体管之间的短互连可最大限度地减少寄生损耗。

图 2：GaN HEMT/SiC JFET 共源共栅器件的示意图（a）和结构（b）。

加州大学圣巴巴拉分校工程学院院长 Umesh Mishra 及其同事演示了另一种共源共栅器件，该器件使用 GaN HEMT 作为开关的高压部分。Mishra 认为，蓝宝石衬底上的 GaN 可提高器件质量和隔离度。与低压硅 FET 配合使用，该器件实现了高达 1,200V 的高额定电压，同时可承载高达 170A 的电流。

将 GaN 器件扩展到更高电压的应用需要更好的击穿性能和改进的器件电容。击穿性能在一定程度上取决于材料质量，因为缺陷会在材料中形成电流路径。不过，器件结构也起着重要作用。例如，香港科技大学的冯思睿及其同事解释说，传统的 p-GaN 增强型 HEMT 易受电压瞬变的影响。他们添加了一个硅掺杂的 n-GaN 层，连接到一个外部栅极层。高电压会耗尽这个半导体栅极中的载流子，从而阻止 2DEG 中的电流流动。该器件经受住了高达 1,500V 的 500 微秒栅极瞬变。

北京大学的杨俊杰及其同事展示了另一种横向 HEMT 设计，该设计使用交替的 p-GaN 和 2DEG 材料条纹来构建超结。它表现为一系列相连的 2DEG 区域。这种设计产生更均匀的电场，有效地增加了给定器件面积的击穿电压。事实上，击穿电压超过了其测试系统的 10kV 极限。

图 3：超结 GaN HEMT。施加到 p-GaN 柱上的偏压可控制 2DEG 的行为，从而控制电流的流动。

增加功率器件的电流通常意味着增加其物理尺寸以保持可接受的功率密度。具有更高击穿电压的材料可以制造更小的器件，因为它们可以承受更高的功率密度。然而，器件之间的间距仍然受到需要充分隔离的限制。垂直器件架构允许设计人员保持相邻器件之间的间隔，同时减少整体电路占用空间。

斯坦福大学和京瓷公司的研究员 Xinyi Wen 及其同事提出了一种环绕栅极电流孔径垂直电子晶体管 (WG-CAVET)。它使用凹槽结构，通过允许栅极环绕 2DEG 通道来改善静电控制。减小凹槽间距会导致凹槽侧壁上的耗尽区重叠，从而在关闭状态下夹断 2DEG。增加这种基本结构的重复次数可使器件根据需要扩展到更高的电流。

松下工程师 Naoki Torii 及其同事提出的另一种垂直设计将屏蔽结构融入传统 GaN JFET，从而降低了寄生电容。通过降低通道的电场，该器件实现了高于 900V 的击穿电压，最大漏极电流为 57A。与传统设计相比，电容的减小也使开关速度几乎翻了一番。

图 4：传统（a）和拟议（b）垂直 GaN JFET 结构。（b）中的屏蔽结构偏移了栅极和漏极，从而降低了器件电容。

硅晶体是立方体，而 GaN 晶体具有纤锌矿（见图5）结构。当在硅或蓝宝石上生长时，GaN 的 c 平面与生长衬底平行。晶体方向对器件特性有显著影响。丰田研究领域负责人 Kenji Ito 及其同事提出的垂直 MOSFET 设计利用了材料的方向相关特性，电流在 m 平面而不是 c 平面流动。这种设计对于电动汽车和航空航天应用尤其有用，因为 m 平面阈值电压相对独立于环境温度。使用 AlN 夹层可最大限度地减少界面陷阱，从而实现超过 180 cm2 /V-sec 的有效迁移率。