氮化鎵功率器件與硅基功率器件的特性不同本質(zhì)是外延結(jié)構(gòu)的不同，本文通過(guò)深入對(duì)比氮化鎵HEMT與硅基MOS管的外延結(jié)構(gòu)，再對(duì)增強(qiáng)型和耗盡型的氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)結(jié)構(gòu)不同決定的部分特性。此外，對(duì)氮化鎵功率器件的外延工藝以及功率器件的工藝進(jìn)行描述，加深對(duì)氮化鎵功率器件的工藝技術(shù)理解。在理解氮化鎵功率器件結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)不同半導(dǎo)體材料的特性、不同襯底材料的氮化鎵HEMT進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

一、器件結(jié)構(gòu)與制造工藝

（一）器件結(jié)構(gòu)對(duì)比

GaN HEMT是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，目前市面上還未出現(xiàn)GaN的MOSFET，主要是因?yàn)橥|(zhì)GaN成本太高，一般采用Si或者SiC作為異質(zhì)襯底，異質(zhì)襯底就需要在襯底上生長(zhǎng)一層緩沖層（AlN），而緩沖層是絕緣的，因此目前的GaN器件還沒(méi)有MOSFET結(jié)構(gòu)。

1、氮化鎵HEMT與硅LDMOS的結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖 1 GaN HEMT（增強(qiáng)型） VS 硅LDMOS結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)看，氮化鎵功率器件和硅LDMOS都是橫向結(jié)構(gòu)，即他們的源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）都在芯片的上表面。同時(shí)為了讓電場(chǎng)分布更加均勻，他們都使用了場(chǎng)板的設(shè)計(jì)。不同之處在于氮化鎵是化合物半導(dǎo)體外延，通過(guò)異質(zhì)結(jié)形成高電子遷移率的二維電子氣溝道（2DEG）。而硅LDMOS是在硅外延層上進(jìn)行摻雜形成P-N結(jié)。

2、氮化鎵功率器件的結(jié)構(gòu)

氮化鎵功率器件的外延結(jié)構(gòu)可分為D-mode（Depletion-mode/耗盡型）和E-mode（Enhance-mode/增強(qiáng)型）。因?yàn)椴牧系臉O化特性，耗盡型是GaN功率器件的自然狀態(tài)，增強(qiáng)型只能通過(guò)特殊工藝將其閾值電壓從負(fù)值變成正值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖 2 E-Mode（增強(qiáng)型） GaN HEMT VS D-Mode（耗盡型） GaN HEMT

目前主要用來(lái)制備增強(qiáng)型器件的方案包括：p型柵、凹槽柵、F處理。如上圖所示，P-GaN柵結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT的方案之一。本質(zhì)是通過(guò)降低柵下2DEG的電子密度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵壓的控制，將閾值電壓提高到正。

（1）D-mode/耗盡型結(jié)構(gòu)

D-mode為常開(kāi)型器件，在通常狀態(tài)下（柵源極電壓VGS=0），漏極和源極之間已存在2DEG，器件呈導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)柵源極電壓VGS<0時(shí)，漏、源極之間的2DEG斷開(kāi)，器件截止。在電力電子應(yīng)用中，常開(kāi)的器件在使用上不便且有安全方面的問(wèn)題，因此D-mode氮化鎵HEMT器件在應(yīng)用中，經(jīng)常級(jí)聯(lián)/串聯(lián)低壓硅MOS一起使用，如下圖所示。

圖 3 共源共柵GaN HEMT

D-mode氮化鎵功率器件和低壓MOSFET串聯(lián)，共用柵極和源極，形成常關(guān)器件。

（2）E-mode/增強(qiáng)型

E-mode（Enhance-mode/增強(qiáng)型）為常關(guān)型，使用方式類似傳統(tǒng)硅MOS，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合高頻化應(yīng)用，增強(qiáng)型器件不需要負(fù)電壓供電，實(shí)際應(yīng)用中的氮化鎵功率器件都需要是常關(guān)型的器件。

目前主流的增強(qiáng)型器件使用的P-GaN的工藝結(jié)構(gòu)，這種工藝結(jié)構(gòu)帶來(lái)兩類技術(shù)路線，對(duì)應(yīng)兩種商業(yè)模式。一類是以松下和英飛凌為代表的電流控制型。所謂電流控制，指的是門級(jí)驅(qū)動(dòng)使用電流，而不是電壓來(lái)控制。另外一類則是和硅MOS管以及碳化硅MOS管一樣，使用門級(jí)電壓驅(qū)動(dòng)。

表 1 主流增強(qiáng)型P-GaN工藝結(jié)構(gòu)的兩種技術(shù)路線

圖 4 電壓驅(qū)動(dòng) VS 電流驅(qū)動(dòng)曲線

3、基本特性總結(jié)

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同，氮化鎵功率器件和硅基功率器件有區(qū)別于硅基器件的特性。

（1）氮化鎵功率器件標(biāo)準(zhǔn)：650V

氮化鎵功率器件的技術(shù)路線一般是650V，因?yàn)閷?duì)于很多電源領(lǐng)域的應(yīng)用，需要接入220V市電，母線電容上的電壓在輸入交流電壓整流以后得到大約400V直流電壓，再加上電壓尖峰和部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用中副邊反射回來(lái)的電壓，650V就成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。

（2）沒(méi)有雪崩擊穿

沒(méi)有雪崩擊穿，一旦擊穿，就是永久性的，類似于電容里面的介質(zhì)擊穿。對(duì)于650V的器件而言，如果是硅MOS管，一般實(shí)際擊穿電壓大約在750V左右（設(shè)計(jì)裕量10%），而氮化鎵器件需要提供更高的電壓設(shè)計(jì)裕量，650V器件至少需要900V以上的擊穿電壓（設(shè)計(jì)裕量>10%）。

（3）沒(méi)有p型氮化鎵管

硅基有NMOS（電子載流子）和PMOS（空穴載流子），但目前還沒(méi)有p型GaN HEMT，因此模擬/數(shù)字IC的設(shè)計(jì)與硅不同。沒(méi)有p型氮化鎵管的原因主要是：首先，離子注入和鎂離子低溫退火在GaN上難以實(shí)現(xiàn)；其次，GaN的空穴遷移率只有30cm2/Vs，遠(yuǎn)低于2000cm2/Vs的電子遷移率。

（4）門級(jí)電壓7V

氮化鎵的工藝決定，氮化鎵功率器件的最大門級(jí)電壓被限制在了7V，且于現(xiàn)有的硅驅(qū)動(dòng)IC不兼容。

（二）器件工藝技術(shù)

氮化鎵功率器件和硅基芯片一樣，制造環(huán)節(jié)主要包括設(shè)計(jì)和外延片生長(zhǎng)、芯片制造和封裝測(cè)試。

表 2 氮化鎵功率器件一般制造環(huán)節(jié)

1、設(shè)計(jì)階段

氮化鎵一般通過(guò)TCAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)）仿真，對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。

2、外延片制造流程

氮化鎵外延片可在硅襯底、碳化硅襯底或藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，從成本和大批量生產(chǎn)考慮，外延的每一層的沉積一般采用MOCVD（金屬氧化物化學(xué)氣相沉積）。

圖 5 氮化鎵外延片制造流程

3、器件制造流程

下圖是藍(lán)寶石襯底耗盡型氮化鎵HEMT器件制造的簡(jiǎn)化流程，硅基襯底的氮化鎵HEMT器件工藝流程類似。

第一步是第一張光罩，是做平臺(tái)型的隔離蝕刻；第二步，第二張光罩定義了源極和漏極；第三步是沉積源極和漏極的金屬；第四步是玻璃和退火，形成源極和漏極金屬；第五步，用第三張光罩來(lái)定義門極；第六步是做門極金屬沉積；第七步是金屬剝離，以形成門極金屬；第八步是沉積氮化硅實(shí)現(xiàn)鈍化和保護(hù)；第九步是使用第四張光罩來(lái)定義源極和漏極的接觸；第十步是利用第五張光罩來(lái)定義場(chǎng)板；第十一步是金屬剝離來(lái)形成場(chǎng)板，第十二部是沉積第二層氮化硅鈍化層。

圖 6 藍(lán)寶石襯底的D-mode 氮化鎵HEMT工藝制造流程

4、CP測(cè)試

CP測(cè)試主要是通過(guò)測(cè)試室溫和高溫兩種環(huán)境下的多種參數(shù)，來(lái)識(shí)別出晶圓上失效的芯片顆粒，并進(jìn)行染色標(biāo)注，不再進(jìn)行后續(xù)的封裝。

圖 7 CP測(cè)試（紅色為失效芯片位置）

5、封裝

圖 8 簡(jiǎn)化的封裝步驟

6、FT/測(cè)試

FT（Final test）是發(fā)貨前的最后一道測(cè)試，一般會(huì)在室溫和高溫兩種環(huán)境下對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的參數(shù)主要包括Idss、Vth、Rdson以及BV（擊穿電壓）等。

二、器件的材料對(duì)比

（一）半導(dǎo)體材料特性對(duì)比

禁帶寬度在2.2eV以上的半導(dǎo)體稱為寬禁帶半導(dǎo)體（第三代半導(dǎo)體）。

表 4 半導(dǎo)體材料的特性對(duì)比

禁帶寬度：硅的禁帶寬度為1.1eV，低于氮化鎵和碳化硅幾乎三倍。因此，氮化鎵和碳化硅可以輕松支持更高電壓的電路，而不能像硅一樣支持較低電壓的電路。

擊穿電場(chǎng)：氮化鎵和碳化硅的擊穿電場(chǎng)是硅基的10倍以上，高擊穿場(chǎng)使氮化鎵和碳化硅能夠輕松應(yīng)對(duì)更高的電壓。

電子遷移率：氮化鎵的電子遷移率比碳化硅要高三倍，氮化鎵HEMT更適合高頻應(yīng)用。

熱導(dǎo)率：氮化鎵的熱導(dǎo)率為1.3 W/cmK(瓦特/厘米開(kāi)爾文)，還不及硅的，而碳化硅的熱導(dǎo)率最優(yōu)，在傳遞熱負(fù)荷方面優(yōu)于氮化鎵和硅三倍。這種散熱性能使碳化硅在高功率和高溫應(yīng)用中具備極大的優(yōu)勢(shì)。

（二）襯底材料的Ga HEMT對(duì)比

表 5 不同襯底材料的GaN HEMT參數(shù)對(duì)比

因?yàn)榈塇EMT結(jié)構(gòu)是外延結(jié)構(gòu)，襯底可使用不同的材料。

附件：器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

為了更方便理解正文提及的器件結(jié)構(gòu)概念，就常見(jiàn)的各類器件結(jié)構(gòu)的縮寫(xiě)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

MOSFET：金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管，是一種電壓控制器件。MOSFET有兩種類型，“p溝道”和“n溝道”，這兩種類型都可以處于增強(qiáng)或耗盡模式，因此共有四種不同類型的MOSFET。

BJT（Bipolar Junction Transistor）：雙極性結(jié)型晶體管，俗稱三極管，一種電流驅(qū)動(dòng)器件，有PNP和NPN兩種類型，廣泛用作放大器、振蕩器或開(kāi)關(guān)等。

HEMT（High Electron Mobility Transistors）：高電子遷移率晶體管。

pHEMT：偽形態(tài)高電子遷移率晶體管，“p”代表偽同態(tài)。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）：絕緣柵雙極型晶體管，IGBT是由MOS和PN兩個(gè)基本單元構(gòu)成。

HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）：異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。

Triacs：三端雙向可控硅。

Thyristor：半導(dǎo)體閘流管。

LDMOS（Lateral Diffused）：橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體，是高頻大功率器件。LDMOS初期主要面向移動(dòng)電話基站的RF功率放大器。

CMOS（complementary MOSFET）：互補(bǔ)型MOSFET，由NMOS和PMOS組成，是集成電路的基礎(chǔ)單元

來(lái)源：半導(dǎo)體材料與工藝