垂直与横向GaN功率器件单片集成的高效隔离技术 - 可再生能源管理展览会

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垂直和横向氮化镓(GaN)器件的集成可以成为功率电子学领域的一次革命性进展。这种集成能够使驱动和控制横向GaN器件与垂直功率器件紧密相邻。在本文中，我们将总结一种解决横向和垂直器件隔离问题的方法。这项技术为横向和垂直GaN(vGaN)器件的单片集成提供了一种简单且可靠的潜在方法。

垂直GaN器件

横向GaN HEMT器件已广泛应用于许多领域，包括电源适配器和数据中心电源。其宽带隙、高通道迁移率、高饱和速度以及低寄生电容，使得该器件在导通和开关性能方面相较传统硅器件具有显著优势。目前，多家公司正在利用6英寸和8英寸Si(111)衬底大规模生产横向GaN功率器件。市面上常见商用HEMT器件的最大额定电压为650V或以下，但一些制造商已经开始生产900V额定电压的器件。

相比横向器件，垂直功率器件具有内在优势，并且在硅和碳化硅(SiC)器件中占主导地位。对于GaN来说，使用垂直功率器件的好处包括以下几点：

1.更高的抗陷阱退化能力

在横向器件中，通道是通过极化诱导的二维电子气形成的。此类通道容易受到陷阱相关退化的影响，从而导致导通态电阻(RDS(on))动态增加，甚至可能引发电流崩溃。尽管大多数制造商已经理解并解决了这一问题，但仍会对器件的操作条件产生一定限制。而垂直器件则对基于电荷陷阱的退化更具免疫力。

2.更高的电压额定值

垂直器件的最大电压额定值主要通过增加漂移层的厚度来提高。在横向器件中，由于漂移区是横向的，增大器件尺寸会导致电压额定值的提升难以实现。而对于垂直器件，即使芯片尺寸增加很少，也可以实现更高的电压额定值。例如，超过900V额定值的HEMT器件制造难度较高，而垂直器件可以更轻松地实现这一目标。

3.更高的阈值电压(Vth)

横向HEMT本质上是耗尽型器件。通过在栅极添加p-GaN层，可以形成增强型器件，但其阈值电压通常低于2V。这会对驱动电路、封装及过电压约束提出更高要求，以避免误导通。尽管一些制造商通过两芯片级联的方式解决了这一问题，但多家研究团队已展示出基于垂直MOS架构的GaN器件，其阈值电压通常高于3V，更适合功率器件的应用。

4.雪崩击穿能力

垂直器件在漏-源结超过击穿电压时通常会发生雪崩击穿。这种可逆机制允许器件承受由系统故障(如负载中的线圈短路)引起的浪涌和瞬态电流。垂直器件中的能量耗散均匀地分布在漂移区，而横向HEMT器件缺乏雪崩能力。此外，横向器件的表面可能会形成更高的电场，从而需要场板来改善击穿性能。

5.更高的功率密度和更好热稳定性

垂直器件由于其体积导通特性，更容易设计用于高功率密度的应用。同时，使用同质外延的垂直器件不会像横向GaN-on-Si器件那样受到晶格失配和热膨胀差异的限制。

尽管如此，vGaN器件的大规模生产仍面临许多挑战，例如缺陷问题、晶圆翘曲以及缓慢的外延生长速度。目前，多数GaN衬底的尺寸仍限制在4英寸或以下，相关研发多集中在2英寸衬底上。一些工程化衬底(如Qromis的QST)显示出潜在的解决路径。此外，低掺杂n型漂移区和p型掺杂区的制造难题也需要进一步解决。

垂直和横向GaN器件的隔离问题

在垂直器件中，衬底通常形成器件的漏极端子。施加高电压时，会对表面层产生耗尽效应，从而影响横向HEMT器件。实际上，衬底端子会起到背栅的作用，调节器件的阈值电压(Vth)和导通电阻(RDS(on))。最近，Zaidan等人提出了一种通过n+掺杂GaN层有效隔离表面HEMT器件的方法，避免其受到vGaN器件衬底漏极电位的影响。该方法的截面示意图如图1所示。

图1

所示的vGaN器件是一种垂直FinFET，与Zhang等人展示的器件类似。研究团队曾展示出一种具有200nm鳍宽、1.2kV击穿电压和0.8V阈值电压的器件。在本例中，集成的HEMT器件可作为垂直功率器件的栅极驱动器。HEMT器件的制造过程包括对vGaN漂移层的刻蚀，以及在刻蚀区域内选择性外延HEMT层，包括底部的n+掺杂GaN隔离层、500nm厚的缓冲层、50nm GaN通道、20nm AlGaN势垒层和2nm GaN保护层。研究人员使用TCAD-Sentaurus对这种结构进行了模拟，并通过已制造HEMT器件的实测数据校准了模拟结果。

图2显示了在无隔离情况下，衬底背偏电压从-50V变化到100V时，HEMT输出特性的模拟结果。正如预期，随着正背偏电压的增加，背栅效应增强了通道反转和电子浓度，显著降低了RDS(on)。

图2

器件的阈值电压随着衬底电压从0V变化到100V，从-1.7V下降到-2.95V，而在-50V时则移动到-0.2V。这种阈值电压的变化会导致栅极驱动电路的严重不稳定。

图3详细展示了提出的垂直隔离方法。通过调整n+ GaN层的掺杂密度和厚度进行模拟。

图3

n+隔离层连接到HEMT的源极端子，并充当场屏蔽层。TCAD实验表明，n+ GaN层的最小厚度需达到10nm，且掺杂浓度需要高于1×10^18/cm³才能实现有效隔离。在这些最优条件下，即使施加100V背偏电压，HEMT的阈值电压也保持不变。图4展示了在10nm、1×10^19/cm³隔离层条件下，HEMT的输出特性。可以看出，带隔离层且施加100V偏置的曲线与无偏置情况下的曲线完全重叠。

图4

这种简单且高效的方法可以用于垂直和横向GaN器件的单片集成，并进一步推动GaN集成功率芯片技术的发展。

    文章来源：浮思特科技

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