Fundamental Research | 孙钱：硅基GaN电力电子器件研究进展
Fundamental Research 2022年第2卷第3期封面
硅基GaN电力电子器件研究进展
关键词：硅基氮化镓，应力与缺陷，电力电子，增强型，可靠性
能源是人类社会发展的基石，电能作为日常生产、生活中的关键驱动力量，其功率密度与转换效率的提升是实现“双碳”目标的一项重要措施。时至今日，电力电子技术的发展已历经一个多世纪，功率密度平均每四年实现翻番。二十世纪六十年代，硅材料引领人类进入固态电力电子时代，硅晶闸管（SCR）、双极结晶体管（BJT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属-氧化物-半导体栅场效应晶体管（MOSFET）等电力电子的研制与发展极大地促进了电能转换效率和功率密度的提升。然而，基于硅材料的传统电力电子器件的性能目前已接近其物理极限，寻求新的材料与器件突破势在必行。
以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、耐压高、工作频率高、导通电阻低等优异特性，在电力电子领域有着巨大的应用前景。特别是硅基GaN，可实现8英寸及以上的晶圆制备，且器件制造有望与硅的CMOS工艺兼容，可以大幅降低制造成本。
当前，GaN基电力电子器件大多是基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT）（图1）。由于材料的自发极化和压电极化效应，AlGaN/GaN异质结构可诱导出具有高浓度、高电子迁移率的二维电子气（2DEG），因此，HEMT可在高工作频率（1~10 MHz）下保持高的电能转换效率（90%以上），以其搭建的电路系统体积大幅减小，功率密度及效率显著提升。近年来，HEMT高频高效的性能得到了消费类电子、工业电子、甚至汽车电子等供电系统的青睐。然而，硅基GaN HEMT的制备从材料外延生长到加工制造，仍面临着较多的挑战。材料生长方面，GaN的非平衡态外延生长导致其不可避免地产生大量的位错、杂质和空位等缺陷；加工制造方面，刻蚀、钝化等常常引入表/界面态缺陷，而金属/半导体接触的制备的均匀性和一致性也有待提升，上述因素严重影响着器件的输出、开关等特性及其可靠性。
围绕当前硅基GaN电力电子器件存在的问题，硅基GaN电力电子器件的下一步研究将沿两大方向发展：一是基于横向器件（HEMT）的集成来实现高频多功能的电力电子单片集成系统。该方向的研究重点在于研制高性能p沟道器件，进而基于GaN HEMT实现新型高效功率集成电路。二是实现高性能、低成本的纵向功率电子器件，该方向的研究重点在于大失配硅衬底上高质量、超厚层的GaN基材料外延生长和高性能的新型终端技术。长远来看，硅基GaN电力电子器件有着巨大的应用潜力，可为电能转换体系注入全新的动力。
图1. 硅基GaN电力电子材料与器件。
以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第3期发表的文章“Y. Zhong, J. Zhang, S. Wu, et al., A review on the GaN-on-Si power electronic devices, Fundamental Research 2(3)(2022) 462-475”。
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主要作者简介
孙 钱 中科院苏州纳米所研究员、博士研究生导师。主要从事第三代半导体GaN基材料和器件的研发与产业化。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。在Nature Photonics、IEEE EDL 等期刊发表学术论文110余篇，引用2300余次，申请发明专利40余项，获国家技术发明一等奖。
钟耀宗 中科院苏州纳米所助理研究员。主要从事硅基GaN功率电子材料与器件的研究。在ACS Appl. Mat. & Interfaces、IEEE EDL 等国际著名学术期刊上发表论文20篇，引用160余次，申请发明专利10项。
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