垂直GaN功率器件的最新進(jìn)展

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，包括電動汽車傳動系統(tǒng)和許多電網(wǎng)應(yīng)用。這是由幾個因素造成的，其中包括需要通過橫向擴展器件來調(diào)整電壓，從而增加芯片面積。與 GaN HEMT 相比，在原生 GaN 襯底上生長的垂直 GaN 功率器件不受此類限制，因為電壓會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 功率器件的一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域是電動汽車傳動系統(tǒng)。汽車動力傳動系統(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)動力，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和結(jié)勢壘肖特基 (JBS) 二極管。這是因為它們能夠提高效率并減少將車輛電池連接到電動機的電力電子逆變器的體積。從傳統(tǒng)的基于硅的逆變器過渡到基于碳化硅的逆變器是必要的（并且可能足夠）實現(xiàn)美國能源部車輛技術(shù)辦公室的電力電子密度目標(biāo) 100 kW/L。然而，基于 GaN 的逆變器可能會在未來提供超出 SiC 所能實現(xiàn)的額外優(yōu)勢，更具侵略性的目標(biāo)。事實上，利用遺傳算法在傳動系統(tǒng)逆變器的功率密度和效率之間進(jìn)行權(quán)衡的系統(tǒng)級仿真表明，垂直 GaN 功率器件提供的解決方案優(yōu)于 SiC 可實現(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，與未來電動汽車的目標(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，由于其簡單性和相關(guān)的可靠性，汽車系統(tǒng)設(shè)計人員更喜歡傳統(tǒng)的兩電平逆變器，因為它們?nèi)缟纤龅碾妷合拗啤Ｒ虼?，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)隊一直在為逆變器所需的開關(guān)整流對開發(fā)垂直 GaN MOSFET 和 JBS 二極管。實驗工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因為在替代雙阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計中需要選擇性區(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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 實驗工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因為在替代雙阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計中需要選擇性區(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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 實驗工作主要集中在溝槽 MOSFET (T-MOSFET) 上，主要是因為在替代雙阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計中需要選擇性區(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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 主要是因為在替代雙阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計中需要選擇性區(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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 GaN 溝槽 MOSFET。具有原子層沉積 SiO 的單指器件 主要是因為在替代雙阱 MOSFET (D-MOSFET) 設(shè)計中需要選擇性區(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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 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。已經(jīng)制造了利用通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在原生 GaN 襯底上生長的漂移層的垂直 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行所固有的。我們的團(tuán)隊利用蝕刻和再生長方法來演示垂直 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 二極管性能的生長和工藝改進(jìn)目前正在進(jìn)行中，重點是再生長、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)隊測量到 GaN PN 二極管的雪崩擊穿時間響應(yīng)小于 1 ns，這對于保護(hù)電網(wǎng)免受 EMP 的影響已經(jīng)足夠快了。對于 5 kV 級的垂直 GaN 二極管，我們的團(tuán)隊已經(jīng)實現(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）。使用這些漂移層，再加上多步蝕刻結(jié)終端擴展 (JTE)，我們的團(tuán)隊已經(jīng)展示了 1 mm 2 PN 二極管，其擊穿電壓 >5 kV，絕對正向電流（脈沖）高達(dá) 3.5 A，并且特定于-電阻 <2.5 mW cm 2（圖 2）。未來的工作旨在擴展生長和制造，以實現(xiàn)具有 10 kV 和更高擊穿電壓的器件。此外，一項旨在為電網(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，這項工作主要集中在 1.2kV 級 PN 二極管上。該團(tuán)隊在制造面積從 ~0.1 到 1 mm 2的 PN 二極管之前對外延 GaN 晶圓進(jìn)行了廣泛的測量并將其與制造設(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估良率。代工工作目前正在擴展到 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)對垂直 GaN PN 二極管進(jìn)行了廣泛的可靠性測試，以了解它們的基本退化機制并最終緩解它們。該測試包括高溫反向偏置和高溫工作壽命評估，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。還顯示了對電流擴散的校正，這對于這個厚漂移區(qū)域來說是最小的。

結(jié)論

總之，垂直 GaN 功率器件有望用于電動汽車傳動系統(tǒng)、電網(wǎng)等應(yīng)用。我們的團(tuán)隊設(shè)計了各種類型的器件，包括 PN 二極管、JBS 二極管和溝槽 MOSFET，這需要對 GaN 特定的外延生長和器件加工進(jìn)行研究。這項工作得到了由 DOE 車輛技術(shù)辦公室的 Susan Rogers 管理的電動傳動系統(tǒng)聯(lián)盟和由 Isik Kizilyalli 指導(dǎo)的 ARPA-E Kilovolt Devices Cohort 的支持。桑迪亞國家實驗室是一個多任務(wù)實驗室，由霍尼韋爾國際公司的全資子公司桑迪亞國家技術(shù)與工程解決方案有限責(zé)任公司根據(jù)合同 DE-NA0003525 為美國能源部國家核安全管理局管理和運營。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)的任何主觀觀點或意見不一定代表美國能源部或美國政府的觀點。

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. 庫珀8

1桑迪亞國家實驗室，阿爾伯克基，新墨西哥州，美國

2美國華盛頓特區(qū)海軍研究實驗室

3?國家研究委員會，華盛頓特區(qū)，美國，居住在 NRL

4?海軍研究生院，美國加利福尼亞州蒙特雷，居住在 NRL

5?斯坦福大學(xué)，美國加利福尼亞州斯坦福

6?斯坦福大學(xué)，美國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

8 Sonrisa Research，圣達(dá)菲，新墨西哥州，美國

審核編輯 黃昊宇