氮化镓功率器件的技术进展与应用前景

核心要点：

氮化镓器件因其出色的高压耐受能力正获得越来越广泛的应用。

小芯片等新型方案可实现更快的开关速度并降低损耗。

氮化镓技术的首批受益应用将集中于低压消费电子领域，工业级应用仍需进一步探索。

随着电力在更多领域取代化石燃料，系统设计人员需要能够承受更高源电压以及更严苛短路和过压尖峰的开关器件与功率转换器。

宽禁带半导体（如氮化镓，GaN）因其更高的击穿强度和热导率，能够支持高功率密度应用，因而备受器件设计人员的关注。然而，这类器件在应对常见故障条件方面的可靠性仍有待进一步验证。

GaN功率器件的基本构成单元——高电子迁移率晶体管（HEMT）——依赖于GaN/AlGaN异质结构。两种材料界面处的晶格应变会导致能带结构的不连续性，从而形成二维电子气（2DEG）。载流子在该层内具有极高的迁移率（超过1500 cm?/V·s），而在该层之外则迁移率极低。在无外部偏压的情况下，2DEG会形成导电通道。

因此，最基本形式的HEMT属于常开型耗尽模式器件。常关型增强模式工作方式在硅基逻辑电路中更为优选，有助于降低功耗；而在功率器件中，这一特性对于安全运行至关重要。目前已有多种不同设计实现了增强模式工作。其中最成功的方案之一是采用镁掺杂的p型GaN栅极，通过提升势垒层的表面电位，即便在零偏压条件下也能耗尽栅极区域的2DEG。

由于GaN/AlGaN异质结构依赖晶格应变来约束2DEG，精确的应变工程对于GaN功率器件的成功制备至关重要。为在硅衬底上获得无裂纹、无位错的高质量超晶格，制造商通常采用渐变AlGaN缓冲层，再沉积器件结构。这一工艺要求导致大多数GaN功率器件采用横向结构和水平沟道，而硅基和碳化硅功率器件中常见的垂直沟道在GaN中则更难实现。

GaN器件本身的制备已属不易，与其他材料的集成则更具挑战性。然而，英特尔晶圆代工（Intel Foundry）的韩威然（Han Wui Then）及其同事指出，这恰恰是众多应用的迫切需求。该团队展示了一种基于硅基GaN的小芯片平台，专为低压、高密度功率电子应用而设计。

通过缩短电路元件之间的距离，小芯片方案可降低电阻损耗并加快开关速度。但另一方面，为最大限度地降低电阻损耗和提升散热效果，小芯片的厚度应控制在50微米以下；同时，硅基电路元件需与GaN元件集成在同一芯片上，没有空间为控制电路等组件单独配置一颗CMOS伴随芯片。

为解决GaN质量与硅质量之间的权衡问题，研究人员将硅PMOS层转移到GaN N-MOS HEMT上，并采用统一的工艺设计套件，成功演示了涵盖多路复用器、反相器和环形振荡器在内的完整片上电路库。据英特尔介绍，这些器件厚度仅为19微米，是目前全球最薄的GaN小芯片。

图1：透射电子显微镜（TEM）图像，展示了与硅PMOS单片集成的GaN N-MOS HEMT（参考文献2）

隔离与集成

在提升器件密度以降低电阻损耗的同时，器件间的隔离难度也随之增加。当器件共用公共源极端子或通过公共衬底进行背栅控制时，串扰抑制尤为困难。

以半桥电路（一种基本功率电子元件）为例，其高侧开关和低侧开关具有不同的源极端子：高侧开关导通时，节点连接至正电源线；低侧开关导通时，节点连接至地。绝缘体上硅（SOI）及其他工程衬底可为每个晶体管提供独立的"隔离岛"，但会增加成本和设计复杂度。双向开关在各类功率转换器中同样应用广泛，当两个源极端子共享同一衬底时，串扰会导致器件电阻性能下降，而主动衬底控制电路同样会带来额外的成本和设计复杂性。

香港科技大学的吴峥及其同事尝试通过在同一异质结构中构建两个2DEG沟道来解决这一问题。他们的结构采用两对AlN/GaN（图2），顶部依次为AlGaN层和p-GaN栅极层。位于叠层中间的AlN层形成空穴扩散沟道，可阻断垂直方向的空穴传输：从p-GaN栅极注入的空穴被引导至该层并发生复合而消失，从而有效抑制串扰。

图2：双沟道功率集成平台的截面图及示意能带图（参考文献3）

尽管串扰是一个严峻问题，工业应用中的功率器件还需能够承受短路和过压条件。香港大学的一个研究团队提出，背栅效应或可通过缓解沟道中的电流拥挤现象来提升短路耐受能力。他们的双向开关器件能够承受重复的30微秒短路冲击，远超典型设计所要求的10微秒。值得注意的是，这些器件采用共享衬底；而采用独立衬底的混合器件，其短路耐受能力则明显较低。

可靠性与界面质量

GaN/AlN界面对GaN器件性能的其他方面同样至关重要。当这些薄层通过金属有机物气相外延（MOVPE）沉积时，非预期的碳掺入可能导致两种材料之间形成AlGaN梯度。

旭化成株式会社的T. Lee及其同事通过使用三乙基镓代替三甲基镓作为镓前驱体，有效抑制了碳的掺入，使2DEG密度接近翻倍，并将方块电阻降低了近4倍。在AlN势垒层中刻蚀凹槽进一步降低了接触电阻，从而改善了器件性能。

短路和过压等高场条件会使沟道内电子加速，产生"热电子"，对器件的接入区域造成损伤。据南方科技大学（中国深圳）的陈浩浩介绍，镁作为p-GaN掺杂剂使用时，可能扩散至AlGaN势垒层中，在该层中充当深能级陷阱。陈浩浩团队采用以二氧化硅为掩膜层的选择性外延工艺，在目标区域沉积p-GaN，同时避免对下层AlGaN造成损伤。其器件击穿电压达到495 V，而传统HEMT器件仅为321 V，采用选择性外延的器件在应力可靠性和短路鲁棒性方面也均有所提升。

在过压条件下，GaN HEMT会发生破坏性击穿失效。垂直型硅和碳化硅器件能够通过非破坏性雪崩击穿来承受过压尖峰，而横向GaN HEMT则倾向于发生破坏性击穿。研究人员俞晶晶及其同事认为，由于缺乏PN结，器件可能无法有效清除碰撞电离产生的载流子。为此，他们提出了一种替代方案：利用减薄的p-GaN层定义穿通栅极（图3）。在关断状态下，耗尽区从漏极侧开始形成并向源极侧扩展；当该层被完全耗尽后，电流可穿通至2DEG层，从而实现非破坏性失效。

图3：所提出的穿通HEMT设计及其截面结构（参考文献7）

结论

氮化镓功率器件目前已成为消费电子充电器等低压应用的首选技术。然而，工业应用面临的应力环境更为苛刻，要求器件能够承受短路和高压瞬态冲击。目前，创新器件设计和工艺优化方面的解决方案正在逐步涌现，但相关研究工作仍任重道远。

参考文献

钟耀宗等，"硅基GaN功率电子器件综述"，《基础研究》，第2卷第3期，2022年，第462-475页，https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.11.028

H. W. Then等，"基于300mm硅基GaN的GaN小芯片技术"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353652

Z. Wu等，"用于集成半桥电路和双向开关的无串扰硅基GaN功率集成平台"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353705

H. Cui等，"单片双向硅基GaN功率HEMT中本征优异的短路鲁棒性（tSC > 30 μs，ISC > 230 A）"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353782

T. Lee等，"AlN衬底上MOVPE生长的低阻无电流崩塌赝晶AlN/GaN/AlN HEMT"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353579

H. Chen等，"通过选择性p-GaN栅极外延实现GaN基功率器件的热电子加固"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353527

J. Yu等，"具有鲁棒性非破坏性漏极击穿的增强型p-GaN栅极穿通HEMT"，2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM），美国加利福尼亚州旧金山，2025年，第1-4页，doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353769

Q&A

Q1：GaN功率器件相比传统硅器件有哪些优势？

A：GaN（氮化镓）功率器件具有更高的击穿强度和热导率，能够支持高功率密度应用。与传统硅器件相比，GaN器件可耐受更高电压，实现更快的开关速度，并减少能量损耗。目前，GaN器件已成为消费电子充电器等低压应用的主流选择。不过，在工业级高压、短路等严苛环境下的可靠性仍在持续优化中。

Q2：英特尔的GaN小芯片技术有什么突破？

A：英特尔晶圆代工团队展示了一种基于300mm硅基GaN的小芯片平台，通过将硅PMOS层转移到GaN N-MOS HEMT上，实现了两种材料的单片集成。该平台厚度仅为19微米，是目前全球最薄的GaN小芯片，并成功演示了多路复用器、反相器和环形振荡器等完整片上电路库，可有效降低电阻损耗并加快开关速度。

Q3：GaN功率器件在工业应用中面临哪些主要挑战？

A：工业应用对GaN功率器件的要求远比消费电子严苛，主要挑战包括：短路耐受能力不足（需承受超过10微秒的短路冲击）、过压条件下易发生破坏性击穿失效，以及器件间串扰难以有效抑制。目前研究人员正通过创新器件结构设计（如双沟道平台、穿通栅极）和工艺优化（如选择性外延）等手段逐步解决上述问题，但距离大规模工业应用仍有一定距离。