氮化镓功率器件进展与挑战：成都氮矽科技的创新与应用

氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料，因其出色的电子迁移率、高温工作能力和更高的开关频率，近年来在功率器件领域展现出巨大的潜力。本文详细探讨了氮化镓功率器件的发展现状以及所面临的挑战。 首先，介绍的是氮化镓器件的设计与工艺。其中，P型栅结构和共源共栅连接结构虽然具有较高的工艺难度，如对刻蚀精度的要求较高，但由于其优越的性能，仍被业界广泛采用，包括FBH、TSMC和三安集成等知名企业。绝缘栅结构如凹槽栅结构是另一种解决方案，它利用凹槽切断栅极下方的二维电子气体（2DEG），在零电压下保持截止状态，并且与硅器件兼容，由Transphorm公司进行了创新开发。 增强型氮化镓晶体管（EnhancedGaNTransistor，EGT）采用镁掺杂的p-GaN栅极实现常闭状态，配合干法刻蚀技术和C-dopedGaN缓冲层，以及使用BCB材料来防止高压下的表面电弧问题。栅源和栅漏之间的隔离层也至关重要，如1um/25um的间距。 文章比较了两种常见的衬底技术——GaN-on-SiC和GaN-on-Si。尽管两者都使用了相同的光刻掩模和处理模块，但在实验条件下，如栅极宽度、栅极长度和器件耐压等方面有所不同。SiC/Si基板分别来自FBH和欧洲某厂，测试项目涵盖了静态和动态电阻（Rds(on)）、电流（Ids）以及设备加热效应。 静态测试显示了氮化镓器件的阈值电压和Ids特性，而动态测试则关注开关速度（100kHz/10us切换时间和300ms的关断时间）。设备加热效应是评估器件在脉冲操作下的热管理能力，测量了从0.2us到200us不同脉冲长度下的电流。 然而，氮化镓功率器件的发展并非一帆风顺，面临着挑战。这些挑战包括但不限于工艺技术的优化，如提高栅极制作的精确性和减少晶格失配导致的电子陷阱；设备散热问题，确保在高功率密度应用中能有效散热；以及与其他硅基器件的兼容性，确保系统级集成的可行性。成都氮矽科技有限公司致力于氮化镓功率IC的研发，通过与电子科技大学的功率集成技术实验室和矽能孵化器的合作，已经推出了国内首款GaN PowerIC，并针对多个应用场景，如手机快充、数据中心、车载充电、LED电源驱动和5G通信电源等，开发出国际领先的氮化镓应用技术和解决方案。 总结来说，氮化镓功率器件的发展正处在关键阶段，其高性能和广阔的应用前景吸引了众多科研机构和企业的关注。尽管面临工艺优化、散热和兼容性等挑战，但随着技术的进步和产业生态的完善，氮化镓有望在未来的电力电子领域发挥更大的作用。