新兴的垂直GaN-on-Silicon器件用于下一代功率电子

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引言

氮化镓(GaN)已成为功率电子领域的一种革新材料，与传统的硅相比提供了卓越的性能。虽然横向GaN-on-Silicon器件已经取得了商业成功，但在高压应用中面临一些限制。本文探讨了垂直GaN-on-Silicon技术如何有望将硅的成本效益与GaN的卓越性能相结合，为电动汽车、可再生能源和数据中心等应用的功率电子带来全新技术进步[1]。

宽禁带半导体的潜力

宽禁带(WBG)半导体如GaN正在以其优于传统硅的性能推动功率电子的边界。GaN具有几个关键优势，使其成为下一代功率应用的理想选择。该材料优越的电场强度(3.3 MV/cm)允许在较小的器件面积内实现较高的阻断电压，与硅相比。此外，GaN中出色的电子迁移率使其能够在比硅或碳化硅(SiC)器件高得多的频率下运行，从而实现更紧凑的功率转换系统。GaN还可以在更高的温度下运行，提高了在苛刻环境中的可靠性。

图1：雷达图比较了Si、SiC和GaN的材料特性。GaN在电场强度和电子速度特性方面表现出色。

如雷达图比较所示，GaN在几个关键参数上优于硅，特别是在电场强度和电子速度方面，而SiC则提供了更好的热导率。这些特性使GaN成为高频功率应用的最佳选择。

GaN在功率电子中的最佳应用

GaN已经确立了自己在特定功率应用中的首选技术地位，特别是在具有高频要求的中等电压范围内。该技术在需要高速开关与中等功率水平相结合的应用中表现出色，在硅和碳化硅之间创造了一个独特的技术领域。

图2：GaN与Si和SiC技术在频率和功率范围内的应用空间对比。GaN占据了高速、中等功率这一细分市场。

这一定位映射到GaN表现出色的实际应用中，包括快速充电器和电源适配器、数据中心的DC-DC转换器、电动汽车车载充电器以及可再生能源系统。这些应用受益于GaN通过高频操作实现的紧凑尺寸和高效率。

GaN在这些应用中的关键优势源于其卓越的开关性能。GaN功率HEMT与硅MOSFET相比显示出极大减少的开关损耗，使其能够在MHz范围内运行，而这个频率范围对于迁移率较低的硅甚至SiC器件都难以实现。

图3：Si MOSFET和GaN HEMT之间的反向恢复电荷比较，展示了GaN的Qrr降低了20倍。

反向恢复电荷(Qrr)的显著减少直接转化为较低的开关损耗，实现了更高的效率和更高的频率运行。随着我们向更紧凑、更高效的功率系统发展，这种性能优势变得更加重要，特别是在电动汽车和可再生能源等新兴应用中，功率密度和效率至为关键。

横向GaN-on-Silicon器件的局限性

尽管具有优势，传统的横向GaN-on-Silicon器件仍面临根本性的局限，特别是对于超过650V的高压应用。这些局限源于异质外延结构和器件几何形状，它们对电压和电流的扩展创造了固有障碍。

击穿电压的局限性：硅上的横向GaN HEMT受到阻止扩展到更高电压的击穿机制的影响。主要问题是缓冲层/硅基板界面处的寄生传导。这种现象对可实现的击穿电压创造了上限，无论横向器件尺寸如何。

图4：GaN-on-Si横向HEMT中的击穿机制，显示栅极边缘的电场拥挤和通过缓冲层和基板的击穿路径。

如图所示，对于大的栅极-漏极距离，击穿不是由GaN沟道本身限制，而是由通过基板的寄生传导限制。这是因为在高电压下，电场穿透缓冲层进入硅基板，创建触发提前击穿的寄生传导路径。

进一步复杂的是，横向器件通常在栅极边缘处经历电场拥挤，阻止均匀击穿。这种场强集中创建了局部化的高场区域，决定了器件的整体击穿电压，而不是材料的本体特性。

图5：横向HEMT栅极边缘的场强拥挤，阻止了雪崩击穿。

非均匀电场抑制了真正的雪崩能力，导致低载流子倍增的窄高场区域。这导致栅极边缘处的局部故障和即使有场板也会出现突然击穿机制。缺乏可控的雪崩行为对高压应用构成了重大可靠性问题，这些应用需要可预测且稳健的操作。

对高压应用的实际影响：对于1kV以上的应用，这些局限带来了重大挑战。这个电压范围内的功率系统在感应开关事件期间经常经历大的电压尖峰，可能轻易超过器件的额定击穿电压。没有雪崩能力来在过压事件中安全耗散能量，横向GaN HEMT需要大量的设计裕度。

图6：功率器件中雪崩能力的重要性，带有击穿特性的图表。

没有雪崩能力，横向GaN HEMT需要大量的降额以确保安全运行。这导致尺寸过大的器件，成本更高，与SiC替代品相比面积效率较差。这个问题对于超过100A的高电流应用尤其突出，由于所需的大器件面积，可靠性问题成倍增加。

这些局限创造了一个技术天花板，推动研究人员探索垂直器件架构作为可能克服横向器件这些基本约束的替代方法。

垂直GaN解决方案

垂直器件架构为横向器件的局限提供了一个引人注目的解决方案，特别是对于高压应用。关键优势是能够通过本体材料而不是沿表面均匀分布电场，从根本上改变器件的扩展特性。

图7：横向GaN-on-Silicon与垂直GaN-on-GaN结构的比较，显示了垂直设计的尺寸优势。

如比较所示，垂直结构从根本上改变了器件如何随电压和电流扩展。较高的击穿电压是通过垂直增加漂移区厚度而不是扩展横向尺寸来实现的。较高的电流能力来自增加器件面积，而不影响电压额定值，允许对这两个参数进行独立优化。垂直器件还受益于双面冷却能力和均匀电场分布，支持真正的雪崩能力。

这些结构优势使垂直GaN器件能够比横向同类器件获得高得多的性能指标。垂直结构允许充分利用GaN的本质材料特性，特别是其高临界电场强度。

垂直GaN-on-Silicon的挑战

虽然本征GaN基板上的垂直GaN提供了出色的性能，但高成本和大块GaN晶圆的有限供应阻碍了其主流采用。本征GaN基板仍然直径小(通常2-4英寸)，昂贵，且供应有限。这激发了对硅基底上垂直GaN器件的研究，但带来了几个独特的挑战。

图8：垂直GaN-on-Silicon器件的挑战，包括不匹配问题、设计约束和边缘终端要求。

关键挑战包括材料质量局限，源于GaN和Si之间的晶格不匹配。这种不匹配创造了高位错密度(约10^9/cm²)，并由于生长过程中的应力积累限制了可实现的最大漂移层厚度。

固有的准垂直设计约束也随之产生，因为与硅或SiC器件不同，GaN技术中选择性p型掺杂不容易获得。此外，由于需要缓冲层来适应晶格不匹配，到基板的直接背面接触变得复杂。这需要复杂的正面接触或创新的处理，以实现全垂直电流流动。

边缘终端复杂性构成了另一个挑战。没有通过选择性掺杂创建保护环的能力(硅功率器件中常见的方法)，必须开发替代边缘终端技术来管理器件周边的电场。

这些挑战需要在器件设计和处理方面采用创新方法来克服，推动了学术界和工业界的重大研究努力。

GaN-on-Silicon生长的创新

近期外延生长的进步使垂直器件用的GaN-on-Silicon材料质量显著提高。这些创新集中于在大直径硅基底上创建更厚、更高质量的GaN层，适合垂直器件制造。

图9：在8英寸Si基底上使用先进缓冲技术生长的7.4μm厚漂移层的数据。

关键进步包括开发先进的缓冲层结构，引入足够的压缩应力来补偿GaN和硅之间的热膨胀系数不匹配。这种应力工程使得在大直径硅基底上生长厚(超过7μm)GaN漂移层成为可行，且无裂纹或过度弯曲。

材料质量也有了巨大改善，对掺杂剖面和杂质引入进行了精心控制。二次离子质谱(SIMS)分析表明，现代外延生长可以在硅上实现出色干净的GaN层。

图10：GaN-on-Si外延结构的SIMS分析，显示低氧污染和可控碳引入。

材料表征显示氧水平低于检测限，控制施主浓度为9×10^15 cm^-3，电子迁移率高达756 cm²/Vs。这些质量指标接近本征基底上GaN的水平，使得具有与昂贵本征基底上相当特性的高性能垂直器件成为可行。

材料质量的提高直接转化为器件性能。击穿电压随漂移层厚度线性增长，高质量外延层可达到1200V以上。

图11：击穿电压随漂移层厚度线性增长，达到1200V以上。

这种线性增长表明击穿由GaN材料特性决定，而非外在缺陷或界面问题，表明通过优化掺杂和进一步增加漂移厚度可以实现更高电压。

垂直GaN-on-Si器件的工艺创新

创建功能性垂直器件需要几项工艺创新来克服GaN-on-Silicon材料系统的独特挑战。这些创新跨越接触形成、边缘终端和器件结构的机械强化。

全垂直器件的N面欧姆接触：一个关键挑战是为背面连接形成低电阻接触到GaN的N面。与更常用的Ga面不同，N面GaN呈现不同的表面化学性质，需要专门的接触形成技术。

图12：使用高温湿预处理实现低接触电阻的背面非合金化欧姆接触工艺。

使用HCl湿处理去除本征氧化物已经实现了电阻低至10^-6 mΩ·cm²的非合金化欧姆接触。这种创新方法消除了可能损坏器件结构的高温合金化工艺，同时仍然提供全垂直器件架构所需的低电阻接触。

边缘终端优化：边缘终端对高压器件至為重要，以防止电场自然拥挤的器件周边处提前击穿。在垂直GaN器件中，这需要专门的方法，因为硅功率器件中使用的传统技术不能直接应用。

图13：使用深mesa刻蚀优化边缘终端以减少电场峰值。

TCAD模拟和实验结果证实，深mesa刻蚀(≥总漂移和P层厚度的60%)显著降低了边缘处的电场峰值，提高了击穿电压。这种相对简单的方法提供了有效的场管理，不需要复杂的多步终端结构，简化了制造过程。

薄膜强化技术：全垂直器件中自支撑GaN薄膜的机械脆弱性需要创新的强化方法，以确保结构完整性和可靠运行。

图14：聚酰亚胺强化GaN薄膜以增强结构并钝化侧壁。

聚酰亚胺强化有双重目的：它钝化侧壁以防止表面漏电流，同时提供对薄GaN薄膜的机械支持。聚酰亚胺的电介质特性也有助于管理器件内关键结处的电场。

进一步的机械强化来自厚铜层：

图15：铜强化层(~300μm)用于散热和机械强度。

添加厚铜(约300μm)提供了强大的机械支持，同时创建了散热的出色热通路。这种聚酰亚胺钝化与铜强化的组合创建了能够处理高电流密度同时保持机械完整性和有效热管理的结构。

全垂直与准垂直PIN二极管比较

全垂直和准垂直器件架构的直接比较展示了全垂直方法的显著优势，特别是对于高电流应用。

图16：准垂直和全垂直PIN二极管之间的结构差异。

全垂直结构提供了具有均匀电流分布的直接电流路径，而准垂直设计要求电流在转向垂直之前通过N+层横向流动。准垂直器件中这种横向电流分量引入了随器件尺寸增加的额外电阻。

关断状态性能：两种设计在适当优化时都能达到类似的阻断电压，展示了GaN-on-Silicon材料用于高压应用的基本能力：

图17：全垂直和准垂直二极管之间的可比关断特性，击穿电压超过1200V。

更重要的是，两种结构都展示了关键的雪崩特征 - 温度升高时击穿电压增加 - 表明与横向HEMT不同的真正雪崩能力。这种依赖温度的击穿行为是与真正雪崩击穿相关的撞击电离过程的标志，而非缺陷相关的漏电机制。

图18：雪崩击穿的温度依赖击穿特性。

测量的雪崩温度系数与领先研究机构报告的GaN-on-GaN垂直器件的值相当，表明尽管面临异质外延生长挑战，GaN-on-Silicon材料质量接近本征基底。

图19：与其他报告器件的雪崩温度依赖系数比较。

这一成就对GaN-on-Silicon技术而言是一个重要里程碑，表明硅基底的成本优势不必以牺牲基本性能指标为代价。

导通状态性能：全垂直结构的关键优势在导通状态性能中变得明显，两种架构之间的电流处理能力有着显著差异：

图20：与同尺寸准垂直结构相比，全垂直二极管显示出明显更好的导通电流。

虽然准垂直二极管受到电流拥挤效应的影响，随器件尺寸增加导致导通电阻增加，但全垂直结构即使对于大面积器件也保持低电阻。这使GaN-on-Silicon器件能够实现超过10A的电流处理能力，标志着该材料系统性能的重大进步。

差异源于准垂直结构中电流必须通过N+层横向流动而产生的电流拥挤。TCAD模拟清楚揭示了这种效应，所产生的寄生电阻随器件直径增加而增加。相比之下，在全垂直器件中，电流均匀流过整个器件面积，消除了这种扩展惩罚。

朝向全垂直GaN晶体管

在垂直二极管成功的基础上，研究正朝向全垂直GaN-on-Silicon晶体管推进，这可能为功率开关应用提供革新性能。

图21：早期垂直GaN-on-Si沟槽MOSFET，性能达到300V/2 mΩ·cm²。

初期垂直沟槽MOSFET展示了令人鼓舞的性能指标，包括高ON/OFF比率超过10^7，阈值电压大于+6V的常关操作，特定导通电阻约2 mΩ·cm²，以及即使没有边缘终端优化也达到约300V的击穿电压。

这些早期结果表明，垂直GaN-on-Silicon晶体管可能在关键的650-1200V应用空间中优于横向GaN器件和硅超结MOSFET，提供成本、性能和可靠性的引人注目组合。

未来方向和剩余挑战

虽然已取得重大进展，但垂直GaN-on-Silicon功率器件的商业实现仍有几个挑战。解决这些挑战将需要在材料、工艺和器件设计方面持续创新。

图22：垂直GaN-on-Silicon MOSFET的剩余挑战和未来方向。

关键研究领域包括开发局部p型掺杂技术，如使用分子束外延(MBE)进行p-GaN或物理气相沉积(PVD)进行NiO等替代p型材料的选择性再生长p层。这些方法可能支持更复杂、性能更好的器件结构。

kV级器件的增强边缘终端技术对于推高电压额定值同时保持可靠性是必要的。这可能涉及从硅和SiC功率器件技术中汲取创新的复合终端结构，但适应GaN的独特特性。

减少缺陷密度的更厚漂移层生长仍是一个持续挑战，需要继续改进外延生长工艺和缓冲层结构。突破当前约7-8μm的限制同时保持高晶体质量对于达到1500V以上电压至关重要。

具有高阈值电压稳定性的常关操作先进MOS栅极结构是另一个关键改进领域。栅极电介质质量和界面工程将是确保功率器件中高电场下可靠长期运行的关键焦点领域。

结论

垂直GaN-on-Silicon技术代表了功率电子的范式转变，潜在地将硅的成本效益与GaN的卓越性能相结合。已展示的结果，包括具有雪崩能力的1200V阻断电压和超过10A的导通电流，使这项技术成为下一代功率器件的有力竞争者。

图23：全垂直GaN-on-Si PIN二极管实现的最先进性能指标(BFOM >3 GW·cm²)。

正如最后图所述，"GaN-on-Si或工程基底不仅是学术上的好奇 - 它是可持续功率系统的未来。"随着材料和工艺技术的持续进步，垂直GaN-on-Silicon器件有望为电动汽车、可再生能源基础设施和数据中心实现更高效、更紧凑和更可靠的功率系统 - 这些是我们向更可持续能源未来过渡的关键组成部分。

性能指数超过3 GW·cm²的成就表明，这项技术不仅仅是实验室里的好奇心，而是通向下一代功率器件的可行路径，这些器件可以帮助解决我们在日益电气化的世界中对高效功率转换的不断增长需求。