GaN功率器件的发展现状

摘要：首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首选技术方案，GaN功率器件具有无可比拟的性能优势，通过采用价格低且口径大的Si衬底，有望实现与硅功率器件相当的价格。其次，简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现状，市场空间很大，除了专注GaN的新进公司外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷涉足。随后，从材料、器件技术、功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功率器件的技术发展现状。最后，简要列举了部分企业推出GaN功率器件产品的现状。

1 引言

近年来GaN功率器件已经成为了学术界和工业界共同关注和着力研发的热点，特别是Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子应用中的首选技术方案，原因如下：

从理论上来讲，与硅类功率器件的性能相比，GaN功率器件的性能具有十分明显的优势。首先，转换效率很高，GaN的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿电场是硅10倍，因此，同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了开关的导通损耗;其次，工作频率很高，GaN的电子渡越时间比硅低10倍，电子速度比在硅中高2倍以上，反向恢复时间基本可以忽略，因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减少铜等贵重原材料消耗，开关频率高还能减少开关损耗，进一步降低电源总的能耗;第三，工作温度很高，GaN的禁带宽度高达3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此理论上GaN器件可以工作在800℃以上的高温。

除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外，还有如下原因：首先，Si的价格低，具有明显的价格优势;其次，通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN 外延片，为GaN 功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三，大尺寸的GaN-on-Si晶圆可使用已有的成熟的Si 工艺技术和设备，实现大批量的低成本的GaN 器件制造;最后，Si 基GaN器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成，利于形成直接面对终端应用的功能性模块。

2 市场和行业发展现状

据Yole Developpement的报告“Power GaN 2012” [1]，GaN功率器件有巨大的市场空间，2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增加

8.1%，达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速发展期，到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。

目前，50%功率器件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注GaN的新进公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken

等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流业态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前，对GaN 功率器件企业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸

GaN-on-Si外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。

3 技术发展现状

3.1 GaN-on-Si材料

目前，4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化，一些科研机构和公司相继报道了8英寸GaN-on-Si晶圆的研究成果[2，3]。2012年新加坡IMRE报道了200mm AlGaN/GaN-on –Si(111)晶圆。同年，新加坡The Institute of Microelectronics 和荷兰NXP

宣布合作开发了200mm GaN-on-Si晶圆及功率器件技术。比利时IMEC、美国IR、美国IQE、日本Dowa和德国Azzurro等公司也正在开发200mm GaN-on-Si外延技术。

现在4英寸及以上的大直径硅衬底上生长GaN外延技术正在快速发展并终会走向成熟，目前面临的主要问题如下：一是失配问题，硅衬底与GaN之间存在晶格常数失配、热膨胀系数失配和晶体结构失配。二是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。三是硅衬底上Si原子的扩散问题，降低了外延层的晶体质量。

3.2 器件技术

3.2.1提高击穿电压

理论上在相同击穿电压下，GaN功率器件比Si和SiC功率器件的导通电阻更低，但是目前其性能远未达到理论值。研究发现主要原因是器件源漏间通过纵向贯通GaN缓冲层，沿Si衬底与GaN缓冲层界面形成了漏电[4]。因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在以下三个方向：(1)改进衬底结构;(2)改进缓冲层结构;(3)改进器件结构。

3.2.2 实现增强型(常关型)器件

基于AlGaN/GaN结构的器件是耗尽型(常开型)器件，而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等，是功率系统中的首选器件。因此，对于GaN功率器件而言，增强型器件实现也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用凹槽栅、p-GaN栅和氟离子注入等方法直接实现增强型，另外，使用Cascode级连技术间接实现常关型。

3.2.3 抑制电流崩塌效应

抑制电流崩塌的方法主要有以下几种：(1)表面钝化，表面钝化的问题是钝化工艺比较复杂，重复性较低，并不能完全消除电流崩塌效应，对器件的栅极漏电流和截止频率有影响，增加了器件的散热问题。(2)场板，2011年，美国HRL用三场板结构结合SiN钝化，实现了高耐压低动态电阻的Si基GaN功率器件，开关速度5us测试状态下，器件350V时动态与静态Ron之比1.2，600V时两者之比1.6[5]。(3)生长冒层，如使用p型GaN冒层来离化的受主杂质形成负空间电荷层，屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响。该方法材料生长过程相对简单，易控制，但是增加了工艺难度，如栅极制作过程比较复杂。(4)势垒层