以下文章來源于半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者IEDM

過去兩年中，氮化鎵雖然發(fā)展迅速，但似乎已經(jīng)遇到了瓶頸。與此同時(shí)，不少垂直氮化鎵的初創(chuàng)企業(yè)倒閉或者賣盤，這引發(fā)大家對垂直氮化鎵未來的擔(dān)憂。為此，在本文中，我們先對氮化鎵未來的發(fā)展進(jìn)行分析，并討論了垂直氮化鎵器件開發(fā)的最新進(jìn)展以及相關(guān)的可靠性挑戰(zhàn)。

氮化鎵的未來：

高電壓、高電流和雙向性

氮化鎵功率器件正在滲透并提高包括快速充電器和電源在內(nèi)的多種消費(fèi)類應(yīng)用的效率。大眾市場對此反應(yīng)熱烈，氮化鎵的應(yīng)用在手機(jī)和筆記本電腦等便攜設(shè)備（功率范圍在 65 到 250W 之間）的快速充電器以及高達(dá) 3.2 kW 的電源中蓬勃發(fā)展。

隨著氮化鎵開始在低功率應(yīng)用中部署并證明其在現(xiàn)場的可靠性，我們現(xiàn)在看到了氮化鎵滲透到高功率應(yīng)用的機(jī)會，這將對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會產(chǎn)生更實(shí)質(zhì)性的影響。強(qiáng)大的機(jī)遇存在于能量收集、汽車、數(shù)據(jù)中心和人工智能領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對重要元素進(jìn)行完善。為了提供高功率，氮化鎵必須處理高電壓和高電流，不僅要高效，還要安全、可靠且低成本。氮化鎵擁有所有成功的特性。

在本文中，我們將介紹突破性的賦能技術(shù)：1200V 額定值、大外延氮化鎵器件（電流額定值高達(dá) 170A，單芯片功率高達(dá) 14kW 的記錄）、高達(dá) 5μs 的短路能力（用于故障安全操作）以及用于新型、更緊湊電路拓?fù)涞膯纹p向開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)更輕、更小、更高效、更可靠的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

1高壓氮化鎵 (1200V)

氮化鎵 HEMT 具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以服務(wù)于商業(yè)上重要的寬電壓范圍，從 100V 到 1200V，并且相對于硅 IGBT、硅 CoolMOS 和碳化硅晶體管具有競爭優(yōu)勢。直到幾年前，1200V 似乎在商業(yè)上使用氮化鎵是不可行的。但在 2020 年初，低成本、高性能的 1200V 氮化鎵解決方案出現(xiàn)在人們視線中。Transphorm 展示了1200V氮化鎵，它使用在藍(lán)寶石（一種具有出色電絕緣性的材料）上沉積的材料構(gòu)建的橫向 HEMT，以消除漏極和襯底之間的擊穿，并阻斷 1200V 及更高的電壓。橫向 1200V 氮化鎵 HEMT 保留了橫向 HEMT 的所有優(yōu)點(diǎn)：高遷移率（降低存儲電荷）、大面積（提高熱導(dǎo)率）和低制造成本。用藍(lán)寶石代替硅可以保持低產(chǎn)品成本和高熱性能。在前道制造過程中，藍(lán)寶石上 III-N 緩沖層的厚度可以減少 60% 以上，從而降低外延成本，同時(shí)保持良好的晶體質(zhì)量和高電絕緣性，這不僅在 150 毫米基板上，而且在 200 毫米基板上也是如此。在后道工藝中，藍(lán)寶石可以減薄到 150-200 微米，以匹配硅的熱導(dǎo)率。藍(lán)寶石已經(jīng)是氮化鎵 LED 的首選襯底，擁有大量的專業(yè)知識和工業(yè)大批量生態(tài)系統(tǒng)。

在這項(xiàng)工作中，我們展示了采用藍(lán)寶石襯底上高電子遷移率晶體管（HEMT）制造的 1200 V GaN 開關(guān)的結(jié)果（圖 1）。使用封裝在 TO-247 封裝內(nèi)的 70 mΩ 藍(lán)寶石襯底 GaN 2 芯片常關(guān)型 GaN FET，我們獲得了 900:450V 降壓轉(zhuǎn)換器在 50 kHz 下大于 99% 的效率。該器件表現(xiàn)出出色的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)，Ron?Qg = 0.9 Ω?nC，Ron?Qrr = 11 Ω?nC。這些結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的藍(lán)寶石襯底 GaN 技術(shù)可以成為 1200V 功率器件市場的極具競爭力的平臺。目前正在進(jìn)行重復(fù)性和認(rèn)證任務(wù)，以期盡快推出中高功率產(chǎn)品。

圖 1. 基于低成本、大直徑、絕緣藍(lán)寶石襯底的 1200V 氮化鎵 HEMT 級聯(lián)結(jié)構(gòu)

2高電流氮化鎵（170A）

如今，氮化鎵解決方案應(yīng)用于功率介于 65W 和 3.2kW 之間的低功率和中功率應(yīng)用，處理的電流僅為幾安培到幾十安培，芯片面積為幾百平方微米。然而，沒有任何物理障礙阻止氮化鎵解決方案處理數(shù)百安培的電流，并應(yīng)用于 10kW 甚至 100kW 以上的高功率應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中，我們展示了高電流氮化鎵原型的新數(shù)據(jù)，其導(dǎo)通電阻為 10mOhm，額定直流電流超過 170A。該芯片面積為數(shù)十平方毫米，并封裝在傳統(tǒng)的 TO-247-3L 封裝中。

硬開關(guān)波形和升壓轉(zhuǎn)換效率如圖 2 所示。該器件的開關(guān)速度達(dá)到 50V/ns 和 4A/ns，從而實(shí)現(xiàn)高功率和高頻開關(guān)。在 50kHz、硬開關(guān)模式下工作的 240V:400V 升壓轉(zhuǎn)換器中，效率峰值在 4kW 時(shí)達(dá)到 99.3%，并平穩(wěn)地降至 14kW 的功率。可以看出，在 14kW 時(shí)，結(jié)溫僅為 120℃，表明還有更大的裕量可以實(shí)現(xiàn)更高的功率。如此出色性能的原因是快速的開關(guān)速度，它最大限度地減少了開關(guān)損耗；D 模式氮化鎵與低壓硅 MOSFET 級聯(lián)配置的低動態(tài) Ron（小于 10%）；以及電阻的低溫度系數(shù)（150℃ 和 25℃ 之間小于 1.8 倍，與 SiC Trench MOSFET 技術(shù)相似），這些共同促成了運(yùn)行中的低傳導(dǎo)損耗。雖然本文展示的是 TO-247-3L 封裝，但本文提出的 10mOhm 芯片不僅可以組裝在帶有 Kelvin 源和更低漏感值的表面貼裝封裝中，還可以作為裸芯片組裝到工業(yè)或汽車模塊中。最近的研究表明，氮化鎵級聯(lián)器件的并聯(lián)已成功實(shí)現(xiàn)高達(dá) 500A 的電流。

圖2：單個 10 mOhm 氮化鎵芯片的開關(guān)波形和效率曲線，展示了創(chuàng)紀(jì)錄的 99.3% 高效率和 14 kW 輸出功率，且仍有提升空間，因?yàn)榻Y(jié)溫僅為 120℃，遠(yuǎn)低于額定值 175℃。

3短路能力（5μS）

在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，氮化鎵（GaN）器件不僅要通過嚴(yán)格的 JEDEC 或 AEC-Q0101 認(rèn)證，還必須能夠承受由過載、直通、固件錯誤、電流浪涌和/或外部故障條件引起的短路事件。2021 年，Transphorm 展示了一項(xiàng)獲得專利的 GaN 技術(shù)，在 50 毫歐器件上實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3 微秒的短路耐受時(shí)間（SCWT）。今年，我們帶來了重大改進(jìn)，展示了一款 15 毫歐器件，其短路耐受時(shí)間延長至 5 微秒，能夠進(jìn)行高功率操作（12 千瓦）。該器件采用 TO-247 封裝，額定電壓為 650 伏，額定直流電流為 145 安。其峰值效率達(dá)到 99.2%，最大輸出功率為 12 千瓦。在 400 伏的漏極偏置下，其短路耐受時(shí)間為 5 微秒（圖 3），并且通過了 1000 小時(shí) 175 攝氏度高溫反向偏置應(yīng)力測試。這些數(shù)據(jù)表明了 GaN 的適應(yīng)性，打破了其不具備短路能力的“神話”。作為參考，現(xiàn)代柵極驅(qū)動器的保護(hù)響應(yīng)時(shí)間約為 1 微秒，確保有足夠的時(shí)間檢測故障并安全關(guān)閉系統(tǒng)，而不會導(dǎo)致器件損壞

圖 3. 獲得專利的氮化鎵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5 微秒的短路耐受時(shí)間，從而在電機(jī)驅(qū)動逆變器中實(shí)現(xiàn)故障安全運(yùn)行。

4單片雙向開關(guān)

由于其橫向結(jié)構(gòu)，氮化鎵器件非常適合單片集成。可以將兩個反串聯(lián)的晶體管單片集成在一起，形成所謂的“雙向開關(guān)”（圖 4）。雙向開關(guān)具有兩個由兩個相對的柵極控制的相對的源極，并且可以沿兩個方向承載電流，并在兩個極性上阻斷電壓。這種器件架構(gòu)在氮化鎵中以其簡單性而獨(dú)有，對于需要功率器件承受正負(fù)交流波瓣的交流前端來說，具有重要意義。

圖 4. 單片氮化鎵雙向開關(guān)，具有共漏極和共享漂移區(qū)，以實(shí)現(xiàn)更小的占位面積、更高的品質(zhì)因數(shù)和更少的零件數(shù)量。

氮化鎵雙向開關(guān)支持諸如隔離矩陣雙有源橋（圖 5 左）、非隔離 T 型中性點(diǎn)鉗位 (T-NPC，圖 5 右) 等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及更多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許在單級中進(jìn)行 AC/DC 或 DC/AC 轉(zhuǎn)換——無需體積龐大且昂貴的 DC-link 電容器——從而實(shí)現(xiàn)更輕、更小、更高效、更可靠的電源系統(tǒng)。應(yīng)用非常廣泛，包括電源和電池充電器、太陽能逆變器和電機(jī)驅(qū)動器。

圖 5. 使用氮化鎵雙向開關(guān) (BDS) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括隔離式矩陣雙有源橋和非隔離式 T 型中性點(diǎn)鉗位。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許單級 AC/DC 轉(zhuǎn)換，具有雙向功能和更少的零件數(shù)量。由于缺少 DC-link 電容器，因此轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更輕、更小，并且由于轉(zhuǎn)換級數(shù)更少，效率更高、可靠性更高。

在這項(xiàng)工作中，我們展示了一種氮化鎵雙向技術(shù)，其中單片集成的 D 模式雙向氮化鎵 HEMT 與兩個低壓硅 MOSFET 以級聯(lián)配置連接，以實(shí)現(xiàn)常關(guān)操作。HEMT 的單片集成允許共享高壓漂移區(qū)，與兩個分立的氮化鎵開關(guān)相比，芯片尺寸減小了 40%。低壓硅 MOSFET 允許高閾值電壓 (4V)、高柵極裕量 (+20V)、高可靠性以及高抗噪聲和寄生導(dǎo)通能力。雙向級聯(lián)器件采用堆疊芯片技術(shù)集成，以最大限度地減少占位面積以及互連電阻和電感（圖 6）。該解決方案封裝在帶隔離焊片的單個 TO-247 封裝中。如圖 4 所示，D 模式氮化鎵的漂移區(qū)在晶體管的兩側(cè)之間共享，從而顯著提高了 Ron x Qg 和 Ron x Qoss 的品質(zhì)因數(shù)。導(dǎo)通電阻為 70 mΩ，該器件具有出色的雙向電流傳導(dǎo)和電壓阻斷能力，具有對稱的電流-電壓和電容-電壓特性。Ron?Qg 比連接在反串聯(lián)中的最先進(jìn)的分立式碳化硅 MOSFET 低 80%，從而降低了開關(guān)損耗，降低了成本，減少了零件數(shù)量，并減小了占位面積。

圖 6. 氮化鎵雙向開關(guān) (BDS) 的實(shí)現(xiàn)，使用 D 模式單片氮化鎵與低壓硅 FET 的級聯(lián)配置，以提供高閾值電壓、高柵極裕量、更高的可靠性以及抗噪聲和寄生導(dǎo)通能力。

雙向氮化鎵器件已在用于單級 AC/DC 前端的矩陣有源橋中進(jìn)行了測試，實(shí)現(xiàn)了兩個 AC 極性下的電壓阻斷和成功的系統(tǒng)演示（圖 7）。

圖 7. 采用矩陣有源橋的單級 AC/DC 前端中氮化鎵雙向開關(guān) (BDS) 的開關(guān)波形。正弦 3 相 AC 輸入，DC 輸出。

雖然氮化鎵已經(jīng)在許多低功率和中功率應(yīng)用中投入生產(chǎn)和現(xiàn)場部署，但令人興奮的未來在于高功率機(jī)會，它將對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會產(chǎn)生更強(qiáng)大的影響。本文介紹的高壓和高電流氮化鎵、短路能力和單片雙向集成將在數(shù)據(jù)中心、人工智能、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

接下來，我們對有望挑戰(zhàn)SiC地位的垂直氮化鎵進(jìn)行分析。

垂直氮化鎵，尚能飯否？

如大家所見在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，寬帶隙半導(dǎo)體正在迅速取代硅器件。大能隙（碳化硅為 3.23 eV，氮化鎵為 3.4 eV）和相應(yīng)的大擊穿場使這些材料成為開發(fā)高效功率半導(dǎo)體器件的理想材料（材料對比見表 I）。

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，目前采用了幾種器件結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。超結(jié)晶體管有助于在給定芯片尺寸的情況下最大限度地減少傳導(dǎo)損耗，因此是硅器件的可靠解決方案；碳化硅晶體管基于不同的概念（JFET、平面 MOSFET 或溝槽 MOSFET），目標(biāo)電壓可達(dá) 2 kV 或更高。市面上銷售的氮化鎵晶體管基于橫向 HEMT（高電子遷移率晶體管）設(shè)計(jì)，由于使用了通過極化摻雜產(chǎn)生的二維電子氣體 (2DEG)，可確保高遷移率和低寄生。

硅、碳化硅和氮化鎵商用器件之間的比較（圖 2）表明，氮化鎵 HEMT 結(jié)構(gòu)的柵極電荷、反向恢復(fù)電荷和