氮化镓功率半导体器件技术

作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,特别是大直径硅(Si)基GaN外延技术的逐步成熟并商用化,GaN功率半导体技术有望成为高性能低成本功率技术解决方案,从而受到国际著名半导体厂商和研究单位的关注。总结了GaN功率半导体器件的最新研究,并对GaN功率器件发展所涉及的器件击穿机理与耐压优化、器件物理与模型、电流崩塌效应、工艺技术以及材料发展等问题进行了分析与概述。     

GaN基增强型HEMT器件的研究进展

随着电力转换系统功率密度和工作频率的不断提高,需要开发性能优于传统半导体的功率器件。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓（GaN）被认为是提高大功率电力系统转换效率的新一代功率器件的主要候选材料。在操作类型方面,增强型（也称为常关型）器件具有安全、能简化电路设计以及更优的电路拓扑设计等优势,在行业应用中更具吸引力。总结并对比了目前国际上主流的GaN基增强型器件的结构和制备工艺,着重介绍了基于栅凹槽结构的功率器件技术,特别是栅槽刻蚀后的界面处理、栅介质层的优化技术。围绕器件的关键指标,总结了材料外延结构、欧姆接触、场板以及钝化工艺对器件性能的影响,提出了未来可能的技术方案。     

被写进“十四五”的氮化镓(GaN),各场景应用齐头并进

氮化镓作为一种第三代半导体材料,近两年时间里在消费类电源市场中得到了广泛应用。尤其是随着各大手机、笔电品牌纷纷入局氮化镓快充,氮化镓功率器件的性能得到进一步验证,同时也加速了氮化镓技术在快充市场中的普及。目前快充电源市面.上的应用的氮化镓主要以三种形式,分别是GaN单管功率器件,内置驱动器的GaN功率芯片,以及内置控制器、驱动器、GaN功率器件的合封芯片。其中以GaN单管功率器件发展最为迅速,尤其是十四五规划出台以来,国家加大了对第三代半导体扶持力度,基于不同品牌GaN器件开发的快充产品也相继量产。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换北大核心CSCD

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN基紫外探测器及其研究进展

宽禁带半导体材料的研究和突破,带动了各种器件的发展和应用。GaN基紫外探测器具有通过调整材料的配比可以调节器件响应的截止波长的优点,可以制备日盲型紫外探测器。对GaN基宽禁带紫外探测器材料体系的研究进展进行了回顾,重点介绍了p型材料的制备、金属半导体接触、材料的蚀刻等。最后,对国内外近期的紫外探测器特别是紫外焦平面器件的研究进展及初步获得的32×32紫外焦平面探测器进行了简单介绍。     

超宽禁带AlN材料及其器件应用的现状和发展趋势

作为一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,AlN不仅具有超宽直接带隙(6.2 eV)、高热导率、高电阻率、高击穿场强、优异的压电性能和良好的光学性能,而且AlN晶体还与其他Ⅲ-N材料具有非常接近的晶格常数和热膨胀系数。这些特点决定了AlN在GaN外延、紫外光源、辐射探测器、微波毫米波器件、光电器件、电力电子器件以及声表面波器件等领域具有广阔的应用前景。介绍了AlN材料在功率器件、深紫外LED、激光器、传感器以及滤波器等领域的应用现状,并对AlN材料及其应用的未来发展趋势进行了分析和展望。     

国外GaN功率器件衬底材料和外延技术研发现状

GaN基功率器件的衬底和外延技术的发展对于器件性能的提升和成本的降低起着非常重要的作用.介绍了国外SiC基、Si基以及新型金刚石基GaN功率器件衬底材料和GaN外延技术的研发现状.重点讨论了大尺寸衬底技术(6英寸SiC衬底、8英寸Si衬底)、GaN HEMT与Si CMOS器件异质集成技术以及金刚石基GaN HEMT材料集成技术的研发进展.分析了GaN功率器件材料技术的发展趋势,认为更大尺寸更高质量衬底和外延材料制作、外延技术的改进、金刚石等新型衬底材料研发以及GaN基材料与Si材料的异质集成技术等将是未来研究的重点.     

氮化镓在光电子和微电子器件中的应用

综述了优良的宽禁带半导体材料GaN在光电子和微电子器件中的应用。     

稀土掺杂GaN基稀磁半导体材料的研究进展

GaN基稀磁半导体材料具有高于室温的铁磁性和优异的光电性能,在半导体电子自旋器件领域有广阔的应用前景。系统地介绍了制备方法对稀土Gd掺杂GaN基稀磁半导体材料铁磁性的影响,讨论了Gd掺杂GaN基稀磁半导体材料中铁磁性的起源,介绍了除Gd以外的稀土离子掺杂GaN基稀磁半导体材料中的铁磁性,以及共掺杂对GaN基稀磁半导体材料的铁磁性能的影响。目前,GaN基稀磁半导体材料的铁磁性仍无法满足半导体电子自旋器件的要求。共掺杂工艺可以有效地解决稀土离子掺杂引入的较大晶格应变,促进自旋电子之间的交互作用,是一种改善GaN基稀磁半导体材料的铁磁性能的有效途径。     

GaN基紫外光电探测器的材料制备及器件优化研究进展

紫外光在各领域应用广泛,制备高性能紫外光电探测器(UVPD)受到研究人员的重视.GaN作为宽禁带半导体材料,具有高电子迁移率、稳定的物理化学性质、高击穿电压、低暗电流和固有可见盲区的特点.GaN基UV PD具有制备工艺简单、体积小无需附加滤光系统、易于与其他材料集成等特点,表现出优异的紫外光探测性能.围绕GaN基UVPD,介绍了 GaN材料在制备工艺上的研究进展;详细论述了常见结构GaN基UV PD最新结构的优化对器件性能的影响;介绍了基于表面声波、表面等离激元和场效应晶体管集成的新型GaN基UV PD;最后,对GaN基UV PD的发展趋势进行了展望.     

GaN HEMT外延材料表征技术研究进展

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表,具有高击穿电场强度和高热导率等优异的物理特性,是制作高频微波器件和大功率电力电子器件的理想材料.GaN外延材料的质量决定了高电子迁移率晶体管(HEMT)的性能,不同材料特征的表征需要不同的测量工具和技术,进而呈现器件性能的优劣.综述了GaN HEMT外延材料的表征技术,详细介绍了几种表征技术的应用场景和近年来国内外的相关研究进展,简要总结了外延材料表征技术的发展趋势,为GaN HEMT外延层的材料生长和性能优化提供了反馈和指导.     

基于金刚石的先进热管理技术研究进展

以GaN为代表的新一代半导体材料具有宽禁带、高电子饱和速率、高击穿场强等优异的电学性能,使得射频、电力电子器件有了具备更高功率能力的可能,目前限制器件功率提升的主要瓶颈是缺少与之匹配的散热手段。具有极高热导率的金刚石已成为提升器件散热能力的重要材料,学术界针对金刚石与功率器件集成的先进热管理技术已经开展了大量有益的研究与探索,但是由于金刚石具有极强的化学惰性和超高的硬度,在实际集成和工艺加工过程中,金刚石-GaN界面容易出现热性能和可靠性问题,甚至会导致器件失效。对金刚石热管理技术的研究进展和存在的问题进行了深入分析,并对未来主要工作方向做了展望。     

S波段GaN微波功率器件的研制

简要介绍了第三代新型半导体材料GaN的特点和优势,基于Agilent ADS微波仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件。测试结果表明,该器件适用于2.7～3.5GHz的超宽带,连续波和脉冲制式均可工作,在饱和状态下,输出功率大于15W,增益达到13dB,漏极效率超过45%,并在管壳内部实现了匹配和偏置电路,对GaN MOSFET微波功率器件小型化、超宽带、高增益和高效率的优异性能得以验证和实现。     

集成波导器件在光纤通信中的应用

光纤通信技术开辟了大容量、高速和低损耗的通信方式。集成波导光器件是构成光通信网和系统的重要组成部分,研制这些器件具有十分重要的现实意义。当前光通信中有代表性的器件是激光器、接收器、调制器、滤波器和控制器等。本文以光通信中三种重要的波导器件──光调制器、滤光器和定向耦合器为例,来介绍当前以光通信为主要应用领域的光波导器件的特点和应用。一、光波导技术１．基于ＬｉＮｂＯ３的光波导技术光波导器件可采用无定形体材料、铁电材料和半导体材料。采用的无定形体材料包括有机聚合物波导和玻璃波导。热光调制器就可以制作…     

硅基异质集成化合物半导体技术新进展

随着摩尔定律即将走向尽头,以及军民电子信息系统对多功能集成、高密度集成、小体积重量、低功耗、大带宽、低延迟等性能的持续追求,将多种化合物半导体材料体系(如GaN、InP、SiC等)的功能器件、芯片,与CMOS集成电路的芯片进行异质集成的技术正在拉开序幕,将在微电子、光电子等领域带来一场新的革命,硅基异质集成也被认为是发展下一代集成微系统的技术平台。本文梳理了射频微电子学与硅光子学领域中以化合物半导体为主的材料(或芯片)与硅半导体材料(或芯片)异质集成的最新进展,以期国内相关领域研究人员对国外的进展有一个比较全面的了解。     

SiC及其功率器件的激光制孔研究进展

SiC作为第三代半导体材料的典型代表,因具有优异的物化性能,在功率器件领域具有极大的应用前景.文章简要介绍了激光制孔的基本原理,综述了 SiC的长脉冲与超短脉冲激光制孔研究进展,对比了长脉冲与超短脉冲激光的加工特点,分析了不同脉冲宽度下SiC的制孔效果.同时,介绍了 GaN/SiC,AlGaN/GaN/SiC等SiC功率器件的激光制孔研究现状.最后,指出了 SiC及其功率器件激光制孔面临的挑战,并展望了未来的发展方向.     

GaN基和GaAs基半导体激光器的电学特性研究

介绍了一种能够全面表征半导体二极管器件的电学特性的方法,此方法结合半导体二极管的正向交流特性和直流特性,称之为正向交流小信号法。利用该方法深入地研究和对比分析了GaN基和GaAs基半导体激光器的电学特性,包括表观电容、串联电阻和理想因子。实验结果表明,对于GaN基和GaAs基半导体激光器,其开始发光的过程同步于其电容由正转变为负的过程。进一步实验结果表明,GaN基半导体激光器比GaAs基半导体激光器具有更大的串联电阻和更大的理想因子。这是由于GaN基激光器的器件工艺不够完善以及外延生长的GaN材料具有很大的位错密度。该研究为提高和改善GaN基激光器的性能提供了必要的依据以及理论指导。     

GaN HEMT热阻测试技术研究

GaN作为第三代半导体材料的代表,具有优越的电学性能,被应用在诸多领域。随着功率密度提升、工作频率增加,GaN器件会产生明显的热效应,温度对GaN的性能及可靠性有直接影响,因此热阻测试及结温表征是非常重要的。根据GaN器件的结构、工作原理以及特性参数,结合JEDEC热阻测试的标准,对不同电压等级、不同封装结构的GaN器件进行测试,验证了使用导通电阻作为温度敏感参数的热阻测试方法的正确性。     

GaN基HFET电力电子器件的研究

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基HFET功率器件具耐高压、高频、导通电阻小等优良特性,在电力电子器件方面也具有卓越的优势。概述了基于电力电子方面应用的AlGaN/GaN HFET功率器件的研究进展。从器件的结构入手,介绍了AlGaN/GaN HEMT的研究现状,从栅材料的选取以及栅介质层的结构对器件性能的影响着手,对AlGaN/GaN MIS-HFET的研究进行了详细的介绍。分析了场板改善器件击穿特性的原理以及各种场板结构AlGaN/GaNHFET器件的研究进展。论述了实现增强型器件不同的方法。阐述了GaN基HFET功率器件在材料、器件结构、稳定性、工艺等方面所面临的挑战。最后探讨了GaN基HFET功率器件未来的发展趋势。