近年來，SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬帶隙（WBG）功率半導體的開發和市場導入速度加快，但與硅相比成本較高的問題依然存在。使用硅片的臥式可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。SiC一直是650-1200V 應用的首選寬帶半導體，尤其是電動汽車和可再生能源中的逆變器 。650 伏是當今更大的市場，1200 伏產品細分市場也將以很高的復合年增長率更快地增長。不少企業研究GaN取代SiC作為新興的高壓功率開關半導體材料。其中，比利時的研究實驗室imec在200毫米晶圓上展示了突破性的氮化鎵 (GaN) 工藝，該工藝首次可以在高功率 1200V 設計中采用碳化硅 (SiC)。與 Aixtron的設備合作，imec已經證明了GaN緩沖層的外延生長，可用于200mm QST襯底上的1200V橫向晶體管應用，硬擊穿電壓超過1800V。
近日，第九屆國際第三代半導體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA）在廈門國際會議中心召開。期間，“功率模塊與電源應用峰會”上，西安電子科技大學教授游淑珍做了“面向1200V功率應用的異質襯底橫向和垂直GaN器件發展”的主題報告，涉及1200V橫向p-GaN HEMT器件、QST襯底上垂直GaN器件的研制、1200V橫向D模GaN HEMT器件等研究成果。
報告回顧了異質襯底上1200V橫向和縱向晶體管的研發進展。報告展示了imec基于8英吋QST襯底的氮化鎵外延層，該外延層可以實現硬擊穿>1200V。在該外延層上制備的增強型p-GaN柵HEMT可承受關態擊穿電壓>1200V。為了滿足如此高的耐壓特性，氮化鎵緩沖層厚度>7um, 這對外延生長的應力控制提出了挑戰。因此，imec采用反向堆疊階梯型雙層超晶格結構，即第一層超晶格等效Al組分低于第二層超晶格等效Al組分。
該設計有效的調節了原位生長曲線，使得在生長較厚的緩沖層之后，晶圓翹曲仍然可以被控制在50um以內，滿足進入工藝線的基本要求，并保持外延層的機械強度。但是橫向晶體管在高壓應用中受限于芯片面積占用率以及表面陷阱引起的可靠性問題。與之相反，垂直氮化鎵晶體管并不需要增加芯片面積來增加器件關態擊穿電壓。垂直氮化鎵晶體管需要增加垂直方向上漂移層的厚度來增加器件關態擊穿電壓。報告展示了imec基于8英吋QST襯底的準垂直二極管反向擊穿電壓約750V,該器件的漂移層厚度為5um。
得益于藍寶石襯底材料的發展，6英吋藍寶石襯底的價格持續降低，并低于100美元。因此基于藍寶石上氮化鎵的晶體管在高壓（>1200V）領域的應用引起了人們的興趣。報告展示了西安電子科技大學廣州研究院及廣州第三代半導體創新中心在其中試線上制備了藍寶石基氮化鎵HEMT，該HEMT的緩沖層只有1.5um，遠低于同等電壓等級的硅基氮化鎵器件的緩沖層厚度。該HEMT表現出非常優異的關態擊穿特性，擊穿電壓可以達到3000V以上。另外，藍寶石基氮化鎵HEMT性能的高一致性，便宜的襯底，簡單的外延結構都加速了氮化鎵器件制造的降本增效，推動氮化鎵HEMT進入更廣泛的應用領域。
嘉賓簡介
游淑珍，教授，海外引進高層次人才，西安電子科技大學教授，比利時微電子中心imec GaN器件研發組長，歐盟項目課題負責人，比利時魯汶大學博士。國際著名會議IRPS技術委員會成員。
