1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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 Si
10、N 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 1.65。(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)势垒层掺杂，该方法增加了沟道电子浓度，或者减少了势垒层表面态密度，一般此种器件都生长了一薄层未掺杂的 GaN 或 AlGaN 冒层。3.2.4 制造工艺GaN 功率器件制造工艺与现有 Si 制造工艺兼容，是促进 GaN 功率
11、器件产业化和广泛应用一个重要因素。开发与现有 Si 制造工艺兼容的 GaN 功率器件制造工艺的关键在于开发无金工艺。2012 年，在 ISPSD 年会上 IMEC 报道了在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆上通过 CMOS 兼容无金工艺结合凹栅工艺制造的增强型 GaN 功率晶体管6。2012 年，在 ISPSD 年会上 IMB-CNM-CSIC 报道了在 4 英寸 Si 上使用 CMOS 兼容无金工艺制作了 MIS-HEMT 和 i-HEMT7。开发无金工艺最近几年受到了学术界和工业界的极大关注，是降低成本以实现大批量生产和大规模商业化应用的重要途径。3.3 功率集成技术形成独立且完整的包括
12、 GaN 功率核心器件、器件驱动、保护电路和周边无源器件在内的直接面对终端应用的功能性模块，是目前 GaN 功率器件的发展方向。高度集成化的 GaN智能功率集成技术将实现传统 Si 功率芯片技术所达不到的高性能、高工作安全性、高速和高温承受能力。在发展 GaN 功率器件技术的基础上，开发功率集成技术正逐渐成为近年来GaN 研究领域的另一个热点。2008 年，美国 IR 公司发布了基于 Si 衬底的 GaN POL 转换器，输入电压 12V，12A 的负载电流时输出电压 1.2V，工作频率 6MHz。2009 年，美国 MIT 报道了利用晶片键合和选择性刻蚀制备出 Si-GaN-Si 晶片 8。
13、2009 年，陈万军等人报道了GaN-on-Si 开关模式 Boost 转换器，K Y Wong 等人成功实现了高压功率器件和外围低压器件的单片集成9。2010 年，Transphorm 发布了分别基于 AlGaN/GaN-on-Si 和 Si Sj-MOSFET 的 800KHz 220-400V Boost 转换器。3.4 可靠性随着各项器件技术的不断进步，GaN 器件已逐渐从实验室向工业界转移，可靠性已成为各界普遍关心的问题。相对于硅功率器件技术，GaN 功率器件的可靠性和稳定性研究还相对滞后，器件退化规律、失效机制与模式、增强可靠性方法等虽有一些研究报告，但远不能满足器件走向大规模实际
14、应用阶段的需要。影响 GaN 功率器件可靠性的原因比较复杂，包括材料质量、器件结构和器件工艺等多个方面，根据功率器件的工作模式特点和工作环境，GaN 功率器件的可靠性研究重点主要包括以下几点：(1)栅泄漏电流与表面状态;(2)栅金属退化;(3)高电场和高温下热电子/热声子效应;(4)材料质量。4 产品相继推出随着 GaN 功率器件的成本降低、电气特性提高和周边技术的扩充，利用 GaN 功率器件的环境目前正在迅速形成，从 2011 年下半年至今已有很多企业相继推出了产品，并开始供货 GaN 功率器件，利用该器件的周边技术也越来越完善。美国 EPC：2012 年之前推出了耐压(40-200)V 的
15、系列产品;2013 年 5 月 EPC 发布了开发板 EPC9004，该板使用了 200V 的 eGaN 器件 EPC2012，已开始供货;2013 年 6 月 EPC 发布了降压变换器演示板 EPC9107，该演示板使用了 eGaN 器件 EPC2015 和 TI 的栅驱动 LM5113，已开始样品供货。美国 Transphorm：在 2012 年发布了耐压 600V 的 GaN 类功率二级管、功率晶体管和功率模块;2013 年 5 月，产品 TPH3006PS、 TPH3006PD、TPS3410PK 和TPS3411PK 已开始销售，把通过 JEDEC 标准的 600V 的 GaN 晶体
16、管 TPH3006PS 用于电源设计，电源效率达 97.5%。日本 Fujitsu：2012 年 11 月发布成功实现 2.5KW 的基于 GaN 功率器件的服务器电源单元;2013 年 7 月展出了耐压 30V、150V 和 600V 三款 Si 基 GaN 功率器件，已开始样品供货，同时展出了采用 600V 耐压产品的服务器电源试制品。虽然 GaN 功率器件的实际性能与理论上的性能还存在差距，但就目前器件及其功能电路的测试结果来看，相比传统 Si 技术已具备十分明显的性能优势，随着 GaN 功率器件的材料质量、器件技术、功率集成技术和可靠性的逐渐成熟，GaN 功率器件很有可能取代 Si 功率器件，成为功率电子应用中的首选技术方案。
