六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料,以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。     

GaN基电力电子器件关键技术的进展

氮化镓GaN(gallium nitride)材料非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件当中。目前,GaN功率电子器件技术方案主要分为Si衬底上横向结构器件和Ga N自支撑衬底上垂直结构器件2种。其中,横向结构器件由于制造成本低且有良好的互补金属-氧化物-半导体CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)工艺兼容性已逐步实现产业化,但是存在材料缺陷多、常关型难实现、高耐压困难以及电流崩塌效应等问题;垂直结构器件能够在不增大芯片尺寸的条件下实现高击穿电压,具有非常广阔的市场前景,也面临着材料生长、器件结构设计和可靠性等方面的挑战。基于此,主要针对这两种器件综述介绍并进行了展望。     

第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战

氮化镓(GaN)材料具有优异的物理特性,非常适合于制作高温、高速和大功率电子器件,具有十分广阔的市场前景。Si衬底上GaN基功率开关器件是目前的主流技术路线,其中结型栅结构(p型栅)和共源共栅级联结构(Cascode)的常关型器件已经逐步实现产业化,并在通用电源及光伏逆变等领域得到应用。但是鉴于以上两种器件结构存在的缺点,业界更加期待能更充分发挥GaN性能的"真"常关MOSFET器件。而GaN MOSFET器件的全面实用化,仍然面临着在材料外延方面和器件稳定性方面的挑战。     

科研人员提出抑制超宽禁带半导体材料AlN位错的新方法

正超宽禁带半导体材料氮化铝(AlN)具有超高击穿场强、高饱和电子漂移速度、高热导率、高表面声速、高非线性光学系数等优点,可用于制备大功率电子器件、表面声波滤波器、激光器、紫外探测器、紫外发光器件,在航天航空、5G通信、功率开关、杀菌消毒、新能源等领域发挥重要作用。现阶段,在大尺寸、低成本、工艺成熟的蓝宝石衬底上利用MOCVD方法进行异质外延生长是制备AlN材料的主流技术路线。然而,AlN外延层和蓝宝石衬底之间存在严重的晶格失配和热失配,     

基于p-GaN结构的GaN HEMT功率电子器件和数字电路单片集成技术

基于含p-GaN帽层的Si基GaN材料,实现了增强型GaN功率电子器件与数字电路单片集成技术的开发。在同一片晶圆上实现了增强型高压GaN器件、DCFL结构反相器和17级环形振荡器。高压GaN功率电子器件阈值电压VTH达到1.2 V,击穿电压V_(BD)达到700 V,输出电流I_D达到8 A,导通电阻R_(ON)为300 mΩ。基于E/D集成技术的DCFL结构反相器低噪声和高噪声容限分别为0.63 V和0.95 V;所研制17级环形振荡器在输入6 V条件下振荡频率345 MHz,级延时为85 ps。     

基于GaN器件的固态射频电源应用研究

随着电力电子技术的发展,射频电源由电子管电源发展成现在的晶体管射频电源。氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度以及高导通的AlGaN/GaN异质结二维电子气2DEG(two-dimensional electrons gas)等优点。GaN功率器件与硅(Si)功率器件相比,具有导通阻抗低,输入、输出电容小等特性,这些特性使得GaN功率器件高开关速度、低损耗。在E类功率射频电源的基础上,采用GaN功率器件设计制作了一款开关频率为4 MHz、功率可调的全固态射频电源实验样机。通过电路的设计和优化,样机的输出功率为21.4 W时,效率达到了96.7%;同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,实验数据验证了GaN器件开关速度快、损耗低,可大幅度提高射频电源的效率。     

绝缘栅GaN基平面功率开关器件技术

绝缘栅氮化镓(GaN)基平面功率开关器件是下一代GaN功率电子技术的最佳选择。在此从Si基GaN金属绝缘体(氧化物)半导体(MIS/MOS)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件面临的界面态和增强型栅产业化制备等方面入手,介绍了绝缘栅GaN基器件表界面态工程,高可靠栅介质及兼容互补MOS(CMOS)工艺的大尺寸Si基GaN器件制造等技术的研究进展,为绝缘栅GaN基平面功率开关器件的产业化应用奠定基础。     

级联结构氮化镓功率器件及其在无线电能传输系统中的应用

为了进一步提升电能转换效率,介绍了一款基于650 V氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistor)的共栅共源级联(cascode)结构开关管及其在无线电能传输方面的应用。在GaN HEMT器件设计方面,通过仿真讨论了器件的场板设计对电容和电场的影响。所制造的cascode器件在650 V时漏电约为2μA,在源漏电压400 V时输入电容C_(iss)、输出电容C_(oss)和反向传输电容C_(rss)分别为1 500 pF、32 pF和12 pF,动态导通电阻升高约16%。基于该款cascode器件设计并展示了一款240～320 kHz、满载功率1 kW的无线充电样机,在200～1 000 W负载范围内效率明显高于Si器件,最高效率超过95%。     

氮化镓体单晶生长的进展

主要讨论了3种氮化镓(GaN)体单晶生长技术,包括氢化物气相外延(HVPE)、助熔剂法、氨热方法。首先叙述了在HVPE法制备GaN体单晶方面的研究进展,包括位错的减少、应变的控制、衬底的分离和掺杂等。比较了3种方法的生长机制。其次,通过纳米压痕仪和高空间分辨表面光电压谱两种方法研究了体单晶中位错的力学行为。最后,介绍了GaN体单晶衬底在器件方面的应用。     

GaN功率开关器件驱动技术的研究与发展

以Si材料为基础的传统电力电子功率器件已逐步逼近其理论极限,难以满足电力电子技术高频化和高功率密度化的发展需求。与传统的Si器件相比,氮化镓(GaN)器件展现了其在导通电阻和栅极电荷上的优势,可使功率转换器实现更小体积、更高频率及更高效率,从而在汽车、通信、工业等领域中具有广阔的应用前景。然而,缺乏高速GaN栅极驱动是目前GaN功率转换器未能大力推广的主要原因之一。详细研究了增强型GaN功率器件驱动电路设计的各种问题,如效率、损耗、延迟时间、栅极振荡、自举电压上升、抗电压变化率干扰、死区时间、反向导通损耗及寄生效应等,并综述了针对上述问题的相应解决方法及优缺点,最后讨论了GaN栅极驱动的未来发展趋势。     

选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究

高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷,影响器件的稳定性。首先,提出选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET,期望避免刻蚀对栅极沟道的损伤;再通过改进选择区域外延工艺(包括二次生长界面和异质结构界面的分离及抑制背景施主杂质),使得二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平。研究结果表明,选择区域外延方法能够有效保护栅极导通界面,使器件具备优越的阈值电压稳定性;同时也证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。     

氮化镓器件在大功率电力电子系统中的应用

氮化镓(GaN)器件由于其卓越的开关特性,被逐渐应用于10 kW及以上系统。器件并联技术能够进一步降低GaN器件的导通损耗,增加系统的功率容量,开始成为工业界关注的重点。由于其极快的开关速度,GaN器件并联的主要挑战在于对其功率回路及驱动回路寄生参数的优化设计。探讨了并联器件特性及寄生参数对开关特性的影响,并详细给出了基于四管并联240 A/650V的半桥模块参考设计,双脉冲实验验证了半桥模块在额定电流下的开关特性。     

GaN体单晶生长研究进展

宽禁带GaN半导体器件以其优异的电学和光学特性,已成为目前半导体领域中的研究热点。以高质量GaN体单晶基片为衬底的同质外延生长,是发挥GaN半导体器件优异性能的关键。高质量GaN单晶基片的缺乏已成为当前制约GaN器件发展的瓶颈。本文从影响LED器件设计与制造的关键因素(衬底)分析,综述了近年来几种常见GaN体单晶生长方法,并对它们的发展前景做出了展望。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

GaN衬底材料的研究与发展

GaN同质外延衬底的研制对发展氮化物半导体激光器、大功率高亮度LED,以及高功率电子器件等是非常重要的。本文介绍了宽禁带氮化物半导体衬底材料研究方面技术原理、新方法以及所取得最新进展。大量创新性的衬底技术的应用,给自支撑GaN衬底在半导体微电子器件和光电子器件等领域大规模生产和应用提供了可能。     

宽禁带SiC单晶衬底研究进展

碳化硅(SiC)作为第3代宽禁带半导体的核心材料之一,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、化学稳定性好等优良特性,是制作高压、大功率、高频、高温和抗辐射新型功率半导体器件的理想材料。近年来,国内外在SiC单晶衬底制备方面取得了重大进展。对SiC单晶衬底材料的最新发展进行回顾,包括SiC单晶生长技术、直径扩大、缺陷控制等,对SiC单晶材料的发展趋势进行了展望。随着高质量大尺寸SiC衬底材料的迅速发展,大大降低了SiC器件的制造成本,为SiC功率器件的发展提供了坚实基础。     

硅衬底LED芯片主要制造工艺

1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来,LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处,而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势,     

GaN HEMT电力电子器件的关键技术

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)电力电子器件应用面临的挑战,从阈值电压回滞效应、电流崩塌效应和增强型的实现等进行讨论。在GaN表面沉积Si_3N_4前进行原位氮(N)等离子体处理,制备GaN金属绝缘体半导体(MIS)HEMT器件,阈值电压回滞270 mV,600 V关态电压,动态电阻上升18%。增强型器件研究方面,提出一种采用氢(H)钝化p-GaN技术制备增强型GaN HEMT器件的新方法,器件的阈值电压为1.75 V,饱和电流为188 mA/mm。     

4700V碳化硅PiN整流二极管

碳化硅Pi N二极管是一种理想的高压二极管器件,具有高阻断电压以及高电流导通密度的特点。通过使用有限元分析的方法对器件外延层参数以及终端结构进行了仿真,提出了优化的器件原胞和终端设计。基于50μm厚、掺杂浓度为1.5×10~(15)cm~(-3)的N型低掺杂外延,制备了电压阻断能力达到4 700V的高压碳化硅整流二极管。制备的器件具有较低的漏电流以及良好的正向导通能力,在100A/cm~2的电流导通密度条件下,器件的最低正向导通压降为3.6V。为进一步研制高压大功率碳化硅二极管器件模块提供了良好的基础。     

650V/50A 4H-SiC JBS二极管的设计与验证

对肖特基区宽度不同的4H-碳化硅(SiC)结势垒肖特基(JBS)二极管进行了仿真与实验研究。根据研究结果设计了一款兼具高功率处理能力与超低漏电流的4H-SiC JBS二极管并进行实验验证。实验结果显示所设计器件通态电阻为36 mΩ,反向耐压650 V时漏电流小于10 nA,功率处理能力大于30 kVA。