最近在推進(jìn)寬帶隙 (WBG) 電力電子器件方面取得了顯著進(jìn)展，這主要是由于其與 Si 器件相比具有更高的開關(guān)頻率，以及它們因此能夠提高開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的功率密度和效率。大多數(shù)市售的 WBG 功率器件都是基于碳化硅的(SiC) 或氮化鎵 (GaN)。盡管迄今為止它在低壓應(yīng)用（大約 650 V 及以下）方面取得了成功，但最成熟的 GaN 基功率器件高電子遷移率晶體管 (HEMT) 并不適用于中壓（大致定義為 1.2 至 20 kV） ) 應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)和許多電網(wǎng)應(yīng)用。這是由幾個(gè)因素造成的，其中包括需要通過(guò)橫向擴(kuò)展器件來(lái)調(diào)整電壓，從而增加芯片面積。與 GaN HEMT 相比，在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的垂直 GaN 功率器件不受此類限制，因?yàn)殡妷簳?huì)在厚的低摻雜漂移層上下降，類似于分立 Si 和 SiC 功率器件的情況。因此，垂直 GaN 器件在中壓應(yīng)用方面具有巨大潛力。然而，n型摻雜 <10 16 cm -3根據(jù)擊穿電壓 >1.2 kV 的要求。還存在處理挑戰(zhàn)，例如選擇性摻雜 GaN 的能力以及與柵極電介質(zhì)形成高質(zhì)量界面的能力。在垂直 GaN 器件實(shí)現(xiàn)中壓應(yīng)用潛力之前，必須克服這些挑戰(zhàn)。

氮化鎵功率

垂直 GaN 功率器件的一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)電氣化的快速加速已經(jīng)成為廣泛采用 SiC 功率器件的主要驅(qū)動(dòng)力，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和結(jié)勢(shì)壘肖特基 (JBS) 二極管。這是因?yàn)樗鼈兡軌蛱岣咝什p少將車輛電池連接到電動(dòng)機(jī)的電力電子逆變器的體積。從傳統(tǒng)的基于硅的逆變器過(guò)渡到基于碳化硅的逆變器是必要的（并且可能足夠）實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室的電力電子密度目標(biāo) 100 kW/L。然而，基于 GaN 的逆變器可能會(huì)在未來(lái)提供超出 SiC 所能實(shí)現(xiàn)的額外優(yōu)勢(shì)，更具侵略性的目標(biāo)。事實(shí)上，利用遺傳算法在傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的功率密度和效率之間進(jìn)行權(quán)衡的系統(tǒng)級(jí)仿真表明，垂直 GaN 功率器件提供的解決方案優(yōu)于 SiC 可實(shí)現(xiàn)的解決方案。這種模擬與 800 V 或更高的直流母線電壓一致，與未來(lái)電動(dòng)汽車的目標(biāo)一致。因此，市售的 GaN 功率 HEMT 不適用于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，由于其簡(jiǎn)單性和相關(guān)的可靠性，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更喜歡傳統(tǒng)的兩電平逆變器，因?yàn)樗鼈內(nèi)缟纤龅碾妷合拗?。因此，需要額定電壓為 1.2 kV 或更高的垂直 GaN 功率器件。我們的團(tuán)隊(duì)一直在為逆變器所需的開關(guān)整流對(duì)開發(fā)垂直 GaN MOSFET 和 JBS 二極管。實(shí)驗(yàn)工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因?yàn)樵谔娲p阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計(jì)中需要選擇性區(qū)域摻雜，這在 GaN 中通常具有挑戰(zhàn)性，在 D 中尤其如此-由于雙阱的MOSFET結(jié)構(gòu)。T-MOSFET 也面臨重大挑戰(zhàn)，包括需要在溝槽的蝕刻側(cè)壁上使用高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 實(shí)驗(yàn)工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因?yàn)樵谔娲p阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計(jì)中需要選擇性區(qū)域摻雜，這在 GaN 中通常具有挑戰(zhàn)性，在 D 中尤其如此-由于雙阱的MOSFET結(jié)構(gòu)。T-MOSFET 也面臨重大挑戰(zhàn)，包括需要在溝槽的蝕刻側(cè)壁上使用高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 實(shí)驗(yàn)工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因?yàn)樵谔娲p阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計(jì)中需要選擇性區(qū)域摻雜，這在 GaN 中通常具有挑戰(zhàn)性，在 D 中尤其如此-由于雙阱的MOSFET結(jié)構(gòu)。T-MOSFET 也面臨重大挑戰(zhàn)，包括需要在溝槽的蝕刻側(cè)壁上使用高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 主要是因?yàn)樵谔娲p阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計(jì)中需要選擇性區(qū)域摻雜，這在 GaN 中通常具有挑戰(zhàn)性，尤其是在雙阱的 D-MOSFET 結(jié)構(gòu)中。T-MOSFET 也面臨重大挑戰(zhàn)，包括需要在溝槽的蝕刻側(cè)壁上使用高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 主要是因?yàn)樵谔娲p阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計(jì)中需要選擇性區(qū)域摻雜，這在 GaN 中通常具有挑戰(zhàn)性，尤其是在雙阱的 D-MOSFET 結(jié)構(gòu)中。T-MOSFET 也面臨重大挑戰(zhàn)，包括需要在溝槽的蝕刻側(cè)壁上使用高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 包括在溝槽的蝕刻側(cè)壁上需要高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 包括在溝槽的蝕刻側(cè)壁上需要高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)，以及緩解溝槽底部的高電場(chǎng)。已經(jīng)制造了利用通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長(zhǎng)的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件2柵極電介質(zhì)已展示出約 8 V 的正閾值電壓、約 10 8的開/關(guān)比和約 400 mA/mm 的電流密度（圖 1）。還制造了四指器件，并顯示出良好的電流縮放。此外，GaN JBS 二極管已同時(shí)開發(fā)，在這種情況下，作為p - 和n的交替區(qū)域，不能避免選擇性區(qū)域摻雜摻雜材料是器件運(yùn)行所固有的。我們的團(tuán)隊(duì)利用蝕刻和再生長(zhǎng)方法來(lái)演示垂直 GaN JBS 二極管，其反向保持電壓 >1.5 kV 和正向開啟電壓 <1 V，與 JBS 操作一致。旨在進(jìn)一步提高 T-MOSFET 和 JBS 二極管性能的生長(zhǎng)和工藝改進(jìn)目前正在進(jìn)行中，重點(diǎn)是再生長(zhǎng)、柵極電介質(zhì)和表面鈍化。

圖 1：（左）單指垂直 GaN 溝槽 MOSFET 的顯微鏡圖像。（中）不同柵極電壓的漏極電流與漏源電壓的關(guān)系，電流密度約為 400 mA/mm。（右）固定漏極電壓（轉(zhuǎn)移曲線）下的漏極電流與柵極電壓的關(guān)系，說(shuō)明~10 8的開關(guān)比和~8 V的開啟電壓；還顯示了跨導(dǎo)曲線。

垂直 GaN 器件的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域是電網(wǎng)。特別是，由于其快速的雪崩擊穿響應(yīng)，垂直 GaN PN 二極管有望保護(hù)電網(wǎng)免受電磁脈沖 (EMP) 引起的快速電壓瞬變。我們的團(tuán)隊(duì)測(cè)量到 GaN PN 二極管的雪崩擊穿時(shí)間響應(yīng)小于 1 ns，這對(duì)于保護(hù)電網(wǎng)免受 EMP 的影響已經(jīng)足夠快了。對(duì)于 5 kV 級(jí)的垂直 GaN 二極管，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 >50 mm 厚的漂移層，凈摻雜在低 10 15 cm -3范圍（在某些情況下，這些是在結(jié)附近具有最低摻雜的多層設(shè)計(jì)）。使用這些漂移層，再加上多步蝕刻結(jié)終端擴(kuò)展 (JTE)，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了 1 mm 2 PN 二極管，其擊穿電壓 >5 kV，絕對(duì)正向電流（脈沖）高達(dá) 3.5 A，并且特定于-電阻 <2.5 mW cm 2（圖 2）。未來(lái)的工作旨在擴(kuò)展生長(zhǎng)和制造，以實(shí)現(xiàn)具有 10 kV 和更高擊穿電壓的器件。此外，一項(xiàng)旨在為電網(wǎng)和其他應(yīng)用建立中壓垂直 GaN 器件的可制造性的平行代工工作正在進(jìn)行中。迄今為止，這項(xiàng)工作主要集中在 1.2kV 級(jí) PN 二極管上。該團(tuán)隊(duì)在制造面積從 ~0.1 到 1 mm 2的 PN 二極管之前對(duì)外延 GaN 晶圓進(jìn)行了廣泛的測(cè)量并將其與制造設(shè)備的產(chǎn)量相關(guān)聯(lián)。使用注入保護(hù)環(huán)和 JTE 的各種組合，經(jīng)常實(shí)現(xiàn)擊穿電壓 >1.2 kV 的器件，并根據(jù)擊穿電壓和正向電流的組合評(píng)估良率。代工工作目前正在擴(kuò)展到 3.3 kV 器件，并且正在考慮替代邊緣端接方法，例如斜切。此外，已經(jīng)對(duì)垂直 GaN PN 二極管進(jìn)行了廣泛的可靠性測(cè)試，以了解它們的基本退化機(jī)制并最終緩解它們。該測(cè)試包括高溫反向偏置和高溫工作壽命評(píng)估，并揭示了幾種不同的退化行為。

圖2.（左）1 mm 2垂直GaN PN二極管的反向偏置電流-電壓曲線，具有50 mm厚的三層漂移區(qū)，最小摻雜~2×10 15 cm -3，擊穿電壓>5 kV（右） ) 相同二極管的脈沖正向 IV 曲線（0.1% 占空比），說(shuō)明最大電流為 3.5 A，最小特定導(dǎo)通電阻 <2.5 mW cm 2。還顯示了對(duì)電流擴(kuò)散的校正，這對(duì)于這個(gè)厚漂移區(qū)域來(lái)說(shuō)是最小的。

結(jié)論

總之，垂直 GaN 功率器件有望用于電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、電網(wǎng)等應(yīng)用。我們的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了各種類型的器件，包括 PN 二極管、JBS 二極管和溝槽 MOSFET，這需要對(duì) GaN 特定的外延生長(zhǎng)和器件加工進(jìn)行研究。這項(xiàng)工作得到了由 DOE 車輛技術(shù)辦公室的 Susan Rogers 管理的電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)盟和由 Isik Kizilyalli 指導(dǎo)的 ARPA-E Kilovolt Devices Cohort 的支持。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多任務(wù)實(shí)驗(yàn)室，由霍尼韋爾國(guó)際公司的全資子公司桑迪亞國(guó)家技術(shù)與工程解決方案有限責(zé)任公司根據(jù)合同 DE-NA0003525 為美國(guó)能源部國(guó)家核安全管理局管理和運(yùn)營(yíng)。本文描述了客觀的技術(shù)結(jié)果和分析。本文中可能表達(dá)的任何主觀觀點(diǎn)或意見不一定代表美國(guó)能源部或美國(guó)政府的觀點(diǎn)。

作者：

R.卡普拉1*，A.賓德1，M.克勞福德1，A.阿勒曼1，B.岡寧1，J .弗利克1，L.耶茨1，A.阿姆斯特朗1，J.迪克森1，C.格拉澤1 , J. Steinfeldt 1 , V. Abate 1 , M. Smith 1 , G. Pickrell 1 , P. Sharps 1 , J. Neely 1 , L. Rashkin 1 , L. Gill 1 , K. Goodrick 1 , T. Anderson 2 , J.加拉格爾2 , AG 雅各布斯2, A. Koehler 2 , M. Tadjer 2 , K. Hobart 2 , J. Hite 2 , M. Ebrish 3 , M. Porter 4 , K. Zeng 5 , S. Chowdhury 5 , D. Ji 6 , O. Aktas 7 , 和 J. 庫(kù)珀8

1桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，阿爾伯克基，新墨西哥州，美國(guó)

2美國(guó)華盛頓特區(qū)海軍研究實(shí)驗(yàn)室

3?國(guó)家研究委員會(huì)，華盛頓特區(qū)，美國(guó)，居住在 NRL

4?海軍研究生院，美國(guó)加利福尼亞州蒙特雷，居住在 NRL

5?斯坦福大學(xué)，美國(guó)加利福尼亞州斯坦福

6?斯坦福大學(xué)，美國(guó)加利福尼亞州斯坦福，現(xiàn)就職于加利福尼亞州圣克拉拉的英特爾公司

7 EDYNX，利弗莫爾，CA，美國(guó)

8 Sonrisa Research，圣達(dá)菲，新墨西哥州，美國(guó)

審核編輯 黃昊宇