近期，北京大學團隊研發增強型 p 型柵氮化鎵（GaN）晶體管，并首次在高達 4500V 工作電壓下實現低動態電阻工作能力。

研究人員在 GaN 功率器件的表面引入新型有源鈍化結構，在藍寶石襯底成功制備具有該結構的新型器件。所制備的器件擊穿電壓得到大幅度提升，實現大于 6500V 的耐壓能力。

通過提供低成本的增強型 GaN 功率器件解決方案，攻克了制約 GaN 功率器件近 30 年的動態電阻難題，打破了“GaN 功率器件不適用于千伏級工業電子應用”的固有觀念。

圖丨魏進（來源：魏進）

具體來說，在 4500V 工作電壓下，超高壓 GaN 功率器件的動態電阻退化僅為 2%。與之對比的是，同一晶圓上的傳統器件在 500V 工作電壓下，動態電阻退化已超過 100%。

該技術有望為新能源汽車、軌道交通、電力傳輸、分布式儲能、清潔能源、數據中心電源等應用設備提供高效率、輕量化、小型化的能源管理系統。

圖丨相關論文（來源：IEDM）

近日，相關論文發表在美國舊金山舉辦的 IEEE 國際電子元件會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，題目為《具有超低動態電阻的 6500V 有源鈍化氮化鎵 p 型柵高電子遷移率晶體管》（6500-V E-mode active-passivation p-GaN gate HEMT with ultralow dynamic RON）。

北京大學博士研究生崔家瑋為論文第一作者，北京大學魏進研究員、王茂俊副教授、沈波教授為論文共同通訊作者，合作單位包括清華大學、日本名古屋大學。

行業瓶頸：GaN 功率器件難以用于千伏級別電壓等級

GaN 半導體材料因具備卓越的耐壓與輸運特性，有望推動電子設備在系統效率提升、系統微型化發展方面取得革命性進展。

目前，GaN 功率器件的電壓等級并非受限于擊穿電壓，而是被局限于高壓工作后的動態電阻退化。動態電阻退化源于器件表面的深能級陷阱響應速度極為緩慢，一旦填充電子需要很長時間才能恢復，這些表面負電荷排斥溝道中的電子引起動態電阻退化。

同時，GaN 功率器件又依賴于表面深能級陷阱態，為導電溝道提供載流子。因此，動態電阻退化被認為是 GaN 功率器件的本征特性之一。

經歷近 20 年的研究，目前業界普遍采用 3 至 4 個場板結構，可以將 650V 電壓等級的 GaN 功率器件的動態電阻退化控制在可接受的程度。

然而，對于更高電壓等級的器件，所需場板數量成比例增加，每增加一個場板就需要多一次光刻。若想實現 6500V 的 GaN 功率器件，則需要幾十次額外的光刻，因此失去了現實意義。

有鑒于此，工業界與學術界形成普遍的共識：GaN 功率器件不適用于千伏級別的電壓等級。

解決有源鈍化 GaN 晶體管的三個技術難題

那么，是否有可能從根本上解決動態電阻退化的問題呢？

早在 20 年前，美國加州大學圣巴巴拉分校研究人員嘗試采用一個 p 型半導體層，來屏蔽器件表面陷阱的影響，但未取得理想的結果。

魏進在香港科技大學讀博時，就開始思考如何利用屏蔽效應消除表面深能級陷阱態的影響。彼時，很多國內外課題組發現 GaN 功率器件閾值電壓漂移的現象，并認為這是 GaN 半導體材料缺陷引起的。

2019 年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件時，發現在某些情況下，因為器件結構設計，會出現電荷存儲現象造成器件特性漂移。因此，當產生電荷損失時，沒有電荷源泉可以快速補充電荷，導致器件穩定性變差。

經過分析，魏進發現 GaN 功率器件有類似之處。“這說明 GaN 器件的閾值電壓本質上是動態變化的，而非由材料缺陷所導致。”他說。

后續很長時間，魏進都在研究如何驗證這一理論。他與所在團隊發明了一種測試方法，對器件內部的存儲電荷量與閾值電壓漂移量分別測試，發現這二者完全吻合。

基于此，他們提出 GaN 功率器件動態閾值電壓理論[2]，讓“動態閾值電壓”概念成為 GaN 功率器件的普遍共識。

加入北京大學后，魏進課題組的研究方向是功率半導體器件，研究重點包括 GaN 功率器件、SiC 功率器件以及功率集成電路技術。

他和團隊成員再次將注意力投入到“動態電阻退化”這個古老的方向上。之前，在動態閾值電壓理論上的研究給他們提供了重要的思路。

魏進表示：“當我們再思考如何屏蔽表面深能級陷阱態時，意識到為屏蔽層提供能夠快速響應的電荷源泉，是解決問題的關鍵。因此，我們有了這一概念的雛形。”

（來源：IEDM）

最初，該團隊認為，屏蔽電荷的源泉應該是固定電位，器件中的固定電位只有器件源極，即參考電壓 0V。然而，p 型屏蔽層的引入會耗盡下方的電子溝道，造成電子濃度的減少甚至消失。

因此，他們將研究重點放在怎樣彌補屏蔽層下方的電子損失。魏進表示：“有一天我突然想到，屏蔽層與柵極連接可利用柵極的正電壓所產生的場效應，來恢復屏蔽層下方的電子濃度。”

圖丨在藍寶石襯底上制備的超高壓 GaN 功率器件透射電鏡圖像（來源：IEDM）

在零電壓偏置下，有源鈍化層耗盡下方的電子溝道，實現增強型工作模式。當需要器件導通時，研究人員采用一種與傳統器件截然不同的方式產生電子溝道。

具體來說，傳統器件利用表面深能級陷阱為溝道提供電子，而該器件則是利用柵極電壓的場效應作用，重新在溝道中產生高濃度的電子。

但這時仍有一個棘手的問題：器件的耐壓能力是否會受到有源鈍化結構的影響？根據在 GaN p 溝道晶體管的研究經驗，魏進發現，當 p 型層足夠薄時可被耗盡，從而實現超高的耐壓能力。

至此，有關有源鈍化 GaN 晶體管的三個主要技術難題被完美解決，即如何實現低動態電阻、如何實現增強型工作模式、如何承受高壓。“相關的實驗結果也充分驗證了我們的想法。”魏進說。

該器件展示了溝道電子的產生可以不依賴于表面深能級陷阱態，并且，表面深能級陷阱態的影響從原理上能夠被完全消除。最終，該器件同時實現了三個關鍵特性：大于 6500V 的超高耐壓、增強型工作模式以及超低動態電阻。

以低成本實現性能“飛躍”

目前，成熟的超高壓功率器件是垂直型 Si 絕緣柵雙極晶體管或 Si 晶閘管，但它們的開關頻率非常低。一種解決方案是采用寬禁帶半導體 SiC 功率器件，以大幅度提高開關頻率。

但是，SiC 超高壓器件需要特殊的厚外延工藝，且需要將外延材料的背景摻雜控制到極低的水平，這需要極高的成本。對于 SiC 功率器件，額外的成本還包括昂貴的襯底及特殊的高溫工藝設備。

GaN 超高壓器件采用與低壓器件相同的外延材料、藍寶石襯底、成熟的 Si 工藝設備。據了解，該技術采用低壓器件的流程，甚至不用專門為超高壓器件區開發工藝流程，僅需要修改版圖設計。

據研究團隊估計，在大規模量產條件下，同等電流水平的 GaN 器件的成本接近 Si 器件，但是卻能帶來性能上的“飛躍”。

目前，美國在 GaN 超高壓器件領域投入大量研發資源，而中國在該領域的研究處于世界領先的水平。然而，中國相關配套技術的研發仍未啟動。魏進表示：“希望我們的研究結果能夠鼓勵國內在 GaN 超高壓器件的研發投入，推動配套技術從實驗室進入到產品化階段的研發。”

（來源：IEDM）

未來，功率器件的突破有望帶來能源管理技術的變革。

人們可能會看到笨重的電力變電站變得更加小型化，從而能夠更加靈活地在城市布局；電動汽車中體型龐大的電機驅動與充電模板變得更加小型化，進而騰出寶貴的乘用空間或安裝更高容量的電池，以大幅度地提高續航里程。

功率器件的突破更有望對未來社會的組織方式產生深遠的影響，使曾經受限于能源管理系統的重量與體積，以及設備的續航能力的概念性應用更快地進入實用，例如小型載人飛行器、穿戴式機械外骨骼等。

繼續探索 GaN 超高壓功率器件的性能邊界

本屆微電子器件的最高學術會議 IEDM 上，魏進課題組還另展示了兩篇論文，分別是攻克 GaN 動態閾值電壓漂移[3]，以及在體硅襯底上實現 650V GaN 集成電路[4]。兩篇論文的第一作者均為該課題組的博士生楊俊杰。

值得關注的是，在本次 IEDM 大會中，功率器件分會共 13 篇論文，其中北京大學 3 篇，這是 IEDM 大會中極為罕見的場景：中國的研究團隊在微電子器件國際頂級會議一個主要的研究方向上成為主力。

圖丨魏進課題組部分成員合影（來源：魏進）

后續，魏進將與團隊進一步探索 GaN 超高壓功率器件的性能邊界，嘗試通過技術創新突破一個個曾經認為的性能極限，從而展示 GaN 功率器件的巨大潛力。

據悉，研究人員已申請多項相關專利，同時也在與企業界保持溝通，探索合作開發的具體事項。與此同時，他們也將積極研究 GaN 功率器件的應用技術，與其他合作者及產業界合作，共同探究 GaN 功率器件在應用中問題，并提出相關解決方案。

該技術的提升空間仍然很大，從 GaN 半導體材料的物理特性來說，器件的擊穿電壓還有提升空間，導通電阻也可進一步降低。

另外，魏進課題組也在積極探索 GaN 功率集成技術[5]，在同一芯片集成不同種類的器件，形成具備各種功能的智能功率集成電路，實現易用、可靠、小型化。

參考資料：

1. J. Cui, J. Wei, M. Wang, Y. Wu, J. Yang, T. Li, J. Yu, H. Yang, X. Yang, J. Wang, X. Liu, D. Ueda, and B. Shen, 6500-V E-mode active-passivation p-GaN gate HEMT with ultralow dynamic RON. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 26-1.

2. J. Wei, R. Xie, H. Xu, H. Wang, Y. Wang, M. Hua, K. Zhong, G. Tang, J. He, M. Zhang, and K. J. Chen, Charge storage mechanism of drain induced dynamic threshold voltage shift in p-GaN gate HEMTs. IEEE Electron Device Letters, 40, 4, 526-529, 2019.

3. J. Yang, J. Wei, M. Wang, T. Li, J. Yu, J. Wang, and B. Shen, Simultaneously achieving large gate swing and enhanced threshold voltage stability in metal/insulator/p-GaN gate HEMT. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 9-4.

4. J. Yang, J. Wei, M. Wang, M. Nuo, H. Yang, T. Li, J. Yu, X. Yang, Y. Hao, J. Wang, and B. Shen, 650-V GaN-on-Si power integration platform using virtual-body p-GaN gate HEMT to screen substrate-induced crosstalk. IEDM, San Francisco, CA, USA, 2023, sec. 9-6.

5. J. Wei, Z. Zheng, G. Tang, H. Xu, G. Lyu, L. Zhang, J. Chen, M. Hua, S. Feng, T. Chen, and K. J. Chen, GaN power integration technology and its future prospects. IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, doi: 10.1109/TED.2023.3341053.