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第3代半导体氮化镓功率器件的发展现状和展望

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曹峻松徐儒郭伟玲

一、引言

电力电子技术在人类的生产生活中扮演着重要的角色，日常生活中的家用电源到工业生产、电气化交通、新能源技术，电力电子技术无所不在。现如今，世界能源的40%是由电力能源构成[1]，因此，它的进步和革新是推动人类社会發展的重要力量。

在电力电子设备中，高效的电力转换是通过电力电子开关或整流器件来实现的，这些器件的性能好坏会直接影响到整个电力电子设备的工作效率，为实现更高效的电力转换，就需要对电力电子器件提出更高的性能要求，如更低的导通损耗、耐高温、高性能的导热能力等。现在，这些电力电子设备大部分是基于发展成熟的硅技术，从最初的晶闸管、二极管、双极型晶体管、功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）到必威体育精装版的超结MOSFET和绝缘三双级功率管（GBT），功率半导体器件已经发展了近60年的时间，器件性能已经达到了硅材料的极限，它已经无法满足现如今电力电子产业对器件阻断电压、散热、工作温度、电力转换效率等各方面的要求[2]。尽管目前已经报道了耐压达到6.5kV的功率硅基IGBT[3]。但囿于硅材料本身的材料局限，还没有任何一款硅基器件可以工作在200℃以上[1]，基于此，第3代半导体应运而出，这其中主要的代表是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），这2种材料目前是应用最广泛的第3代半导体材料。

GaN功率元件与SiC功率元件今后将“各司其职”。SiC主要用于需要处理较大电力的耐压600V以上的用途。而GaN功率元件预计主要用于耐压在600V以下，或要求数百kHz以上高速开关的用途。

第3代半导体材料拥有硅材料无法比拟的材料性能优势，从决定器件性能的禁带宽度、热导率、击穿电场等特性来看，第3代半导体均比硅材料优秀，因此，第3代半导体的引入可以很好地解决现如今硅材料的不足，改善器件的散热、导通损耗、高温、高频等特性，被誉为光电子和微电子等产业新的发动机。

二、氮化镓功率器件

GaN具有广泛的应用性，被认为是继硅之后最重要的半导体材料之一。GaN功率器件同当前广泛应用的硅基功率器件相比，具有更高的临界电场强度，更低的开态电阻，更快的开关频率，可以实现更高的系统效率以及在高温下工作[4]。

1.基本结构

目前应用较多的GaN功率器件主要是横向器件，其中的代表是肖特基二极管（SBD）以及高电子迁移率场效应晶体管（HEMT），它们主要是利用氮化镓铝（AlGaN）/GaN处异质结处由于极化效应产生的二维电子气（2-DEG）来工作（图1）。在AlGaN和GaN结面处，由于它们的禁带宽度不同，能带发生突变，由此产生的极化效应使界面处产生准三角型势阱，大量电子被限制在该势阱内，它们在垂直于异质结界面的方向上是量子化的，而在平行于异质结界面的方向上是可以自由运动的，这就是二维电子气[5]。它具有极高的浓度和电子迁移率，这使得AlGaN/GaN异质结结构成为制作GaN基横向器件的最佳选择。

GaN可以生长在硅（Si）、SiC以及蓝宝石（Al2O3）上。目前，绝大多数已经报道的GaN基功率器件是在硅衬底上进行生长的[6]。4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化，8英寸的GaN-on-Si外延片也已经由东芝生产成功[7]，图2是最传统的GaNHEMT结构。

2.GaN功率器件的市场发展

GaN基功率器件的市场化方面，美国和日本处于前列。在美国，2010年IR（美国国际整流器公司）推出了第一款GaN商用集成功率级产品iP2010和iP2011，采用了氮化镓（GaN）功率器件技术平台GaNpowIR。iP2010和iP2011集成了超快速PowIRtune栅极驱动芯片，及一个单片多开关氮化镓功率器件。这些器件贴装在一个倒装芯片封装平台上，可带来比硅集成功率级器件更高的效率和2倍以上的开关频率[8]。紧接着，EPC公司也推出了自己的GaN系列产品，其最高耐压达到了300V，导通电阻150mΩ，尺寸1.95mm×1.95mm[9]。2013年上半年，日本松下和夏普公司相继推出了耐压600V的肖特基二极管产品[10，11]。接下来，MicroGaN、Transphorm等公司推出了自己的GaN功率器件产品，耐压最高达到了1200V，这其中，Transphorm处于行业的前列，其必威体育精装版产品包括耐压600V的一系列常闭型HEMT产品，以及集成的功率模组和演示板，可广泛运用于如小功率光伏逆变、电机驱动、功率因数校正器等电力电子产品[12]。其发展历程如图3[13]。

国内，中国电子科技集团第十三研究所、中国电子科技集团第五十五所及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（以下简称“中科院苏州纳米所纳米”）在GaN器件的研发中均取得了突破性的成果；而在市场化方面，苏州能