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（原标题：GaN的畴昔开云体育(中国)官方网站，是什么？）

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昔时两年中，氮化镓诚然发展速即，但似乎照旧遭遇了瓶颈。与此同期，不少垂直氮化镓的初创企业倒闭或者卖盘，这激发全球对垂直氮化镓畴昔的担忧。为此，在本文中，咱们先对氮化镓畴昔的发展进行分析，并盘算了垂直氮化镓器件开辟的最新进展以及关系的可靠性挑战。

氮化镓的畴昔：

高电压、高电流和双向性

氮化镓功率器件正在浸透并提高包括快速充电器和电源在内的多种奢侈类诈欺的后果。民众商场对此反应横暴，氮化镓的诈欺在手机和札记本电脑等便携建造（功率范围在 65 到 250W 之间）的快速充电器以及高达 3.2 kW 的电源中新生发展。

跟着氮化镓运转在低功率诈欺中部署并讲授其在现场的可靠性，咱们当今看到了氮化镓浸透到高功率诈欺的契机，这将对经济、生态和社会产生更本色性的影响。刚劲的机遇存在于能量相聚、汽车、数据中心和东谈主工智能范畴。为了达成这一规画，必须对伏击元素进行完善。为了提供高功率，氮化镓必须处理高电压和高电流，不仅要高效，还要安全、可靠且低老本。氮化镓领有扫数获胜的特质。

在本文中，咱们将先容突破性的赋能期间：1200V 额定值、大外延氮化镓器件（电流额定值高达 170A，单芯片功率高达 14kW 的记录）、高达 5μs 的短路才能（用于故障安全操作）以及用于新式、更紧凑电路拓扑的单片双向开关，从而达成更轻、更小、更高效、更可靠的退换系统。

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高压氮化镓 (1200V)

氮化镓 HEMT 具有特地的上风，不错劳动于交易上伏击的宽电压范围，从 100V 到 1200V，况兼相对于硅 IGBT、硅 CoolMOS 和碳化硅晶体管具有竞争上风。直到几年前，1200V 似乎在交易上使用氮化镓是弗成行的。但在 2020 岁首，低老本、高性能的 1200V 氮化镓处置有规画出当今东谈主们视野中。Transphorm 展示了1200V氮化镓，它使用在蓝维持（一种具有出色电绝缘性的材料）上千里积的材料构建的横向 HEMT，以摒除漏极和衬底之间的击穿，并阻断 1200V 及更高的电压。横向 1200V 氮化镓 HEMT 保留了横向 HEMT 的扫数优点：高迁徙率（镌汰存储电荷）、大面积（提高热导率）和低制形老本。用蓝维持代替硅不错保抓低家具老本和高热性能。在前谈制造经由中，蓝维持上 III-N 缓冲层的厚度不错减少 60% 以上，从而镌汰外延老本，同期保抓精湛的晶体质料和高电绝缘性，这不仅在 150 毫米基板上，而且在 200 毫米基板上亦然如斯。在后谈工艺中，蓝维持不错减薄到 150-200 微米，以匹配硅的热导率。蓝维持照旧是氮化镓 LED 的首选衬底，领有多量的专科学问和工业普遍量生态系统。

在这项使命中，咱们展示了采纳蓝维持衬底上高电子迁徙率晶体管（HEMT）制造的 1200 V GaN 开关的遣散（图 1）。使用封装在 TO-247 封装内的 70 mΩ 蓝维持衬底 GaN 2 芯片常关型 GaN FET，咱们取得了 900:450V 降压退换器在 50 kHz 下大于 99% 的后果。该器件进展出出色的开关品性因数，Ron?Qg = 0.9 Ω?nC，Ron?Qrr = 11 Ω?nC。这些遣散标明，经过优化的蓝维持衬底 GaN 期间不错成为 1200V 功率器件商场的极具竞争力的平台。目下正在进行叠加性和认证任务，以期尽快推出中高功率家具。

图 1. 基于低老本、大直径、绝缘蓝维持衬底的 1200V 氮化镓 HEMT 级聚首构

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高电流氮化镓（170A）

如今，氮化镓处置有规画诈欺于功率介于 65W 和 3.2kW 之间的低功率和中功率诈欺，处理的电流仅为几安培到几十安培，芯单方面积为几百宽广微米。然则，莫得任何物理痛苦挫折氮化镓处置有规画处理数百安培的电流，并诈欺于 10kW 甚而 100kW 以上的高功率诈欺。在这项使命中，咱们展示了高电流氮化镓原型的新数据，其导通电阻为 10mOhm，额定直流电流进步 170A。该芯单方面积为数十宽广毫米，并封装在传统的 TO-247-3L 封装中。

硬开关波形和升压退换后果如图 2 所示。该器件的开关速率达到 50V/ns 和 4A/ns，从而达成高功率和高频开关。在 50kHz、硬开关模式下使命的 240V:400V 升压退换器中，后果峰值在 4kW 时达到 99.3%，并自由地降至 14kW 的功率。不错看出，在 14kW 时，结温仅为 120℃，标明还有更大的裕量不错达成更高的功率。如斯出色性能的原因是快速的开关速率，它最大限制地减少了开关损耗；D 模式氮化镓与低压硅 MOSFET 级联成立的低动态 Ron（小于 10%）；以及电阻的低温度统共（150℃ 和 25℃ 之间小于 1.8 倍，与 SiC Trench MOSFET 期间雷同），这些共同促成了运行中的低传导损耗。诚然本文展示的是 TO-247-3L 封装，但本文建议的 10mOhm 芯片不仅不错拼装在带有 Kelvin 源和更低漏感值的名义贴装封装中，还不错四肢裸芯片拼装到工业或汽车模块中。最近的研究标明，氮化镓级联器件的并联已获胜达成高达 500A 的电流。

图2：单个 10 mOhm 氮化镓芯片的开关波形和后果弧线，展示了创记录的 99.3% 高后果和 14 kW 输出功率，且仍有援手空间，因为结温仅为 120℃，远低于额定值 175℃。

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短路才能（5μS）

在电机驱动诈欺中，氮化镓（GaN）器件不仅要通过严格的 JEDEC 或 AEC-Q0101 认证，还必须疏忽承受由过载、纵贯、固件演叨、电流浪涌和/或外部故障条目引起的短路事件。2021 年，Transphorm 展示了一项取得专利的 GaN 期间，在 50 毫欧器件上达成了高达 3 微秒的短路耐受时期（SCWT）。本年，咱们带来了首要改造，展示了一款 15 毫欧器件，其短路耐受时期延伸至 5 微秒，疏忽进行高功率操作（12 千瓦）。该器件采纳 TO-247 封装，额定电压为 650 伏，额定直流电流为 145 安。其峰值后果达到 99.2%，最大输出功率为 12 千瓦。在 400 伏的漏极偏置下，其短路耐受时期为 5 微秒（图 3），况兼通过了 1000 小时 175 摄氏度高温反向偏置应力测试。这些数据标明了 GaN 的稳当性，欺压了其不具备短路才能的“传说”。四肢参考，当代栅极驱动器的保护反馈时期约为 1 微秒，确保有满盈的时期检测故障并安全关闭系统，而不会导致器件损坏

图 3. 取得专利的氮化镓期间，可达成高达 5 微秒的短路耐受时期，从而在电机驱动逆变器中达成故障安全运行。

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单片双向开关

由于其横向结构，氮化镓器件相当合乎单片集成。不错将两个反串联的晶体管单片集成在一谈，形成所谓的“双向开关”（图 4）。双向开关具有两个由两个相对的栅极礼貌的相对的源极，况兼不错沿两个所在承载电流，并在两个极性上阻断电压。这种器件架构在氮化镓中以其简单性而私有，对于需邀功率器件承受正负换取波瓣的换取前端来说，具有伏击道理。

图 4. 单片氮化镓双向开关，具有共漏极和分享漂移区，以达成更小的占位面积、更高的品性因数和更少的零件数目。

氮化镓双向开关救助诸如隔断矩阵双有源桥（图 5 左）、非隔断 T 型中性点钳位 (T-NPC，图 5 右) 等拓扑结构，以及更多拓扑结构。这些拓扑结构允许在单级中进行 AC/DC 或 DC/AC 退换——无需体积纷乱且奋斗的 DC-link 电容器——从而达成更轻、更小、更高效、更可靠的电源系统。诈欺相当泛泛，包括电源和电板充电器、太阳能逆变器和电机驱动器。

图 5. 使用氮化镓双向开关 (BDS) 的拓扑结构，包括隔断式矩阵双有源桥和非隔断式 T 型中性点钳位。这些拓扑结构允许单级 AC/DC 退换，具有双向功能和更少的零件数目。由于贫困 DC-link 电容器，因此退换系统更轻、更小，况兼由于退换级数更少，后果更高、可靠性更高。

在这项使命中，咱们展示了一种氮化镓双向期间，其中单片集成的 D 模式双向氮化镓 HEMT 与两个低压硅 MOSFET 以级联成立连结，以达成常关操作。HEMT 的单片集成允许分享高压漂移区，与两个分立的氮化镓开关比拟，芯片尺寸减小了 40%。低压硅 MOSFET 允许高阈值电压 (4V)、高栅极裕量 (+20V)、高可靠性以及高抗噪声和寄生导通才能。双向级联器件采纳堆叠芯俄顷间集成，以最大限制地减少占位面积以及互连电阻和电感（图 6）。该处置有规画封装在带隔断焊片的单个 TO-247 封装中。如图 4 所示，D 模式氮化镓的漂移区在晶体管的两侧之间分享，从而昭彰提高了 Ron x Qg 和 Ron x Qoss 的品性因数。导通电阻为 70 mΩ，该器件具有出色的双向电流传导和电压阻断才能，具有对称的电流-电压和电容-电压特质。Ron?Qg 比连结在反串联中的启航点进的分立式碳化硅 MOSFET 低 80%，从而镌汰了开关损耗，镌汰了老本，减少了零件数目，并减小了占位面积。

图 6. 氮化镓双向开关 (BDS) 的达成，使用 D 模式单片氮化镓与低压硅 FET 的级联成立，以提供高阈值电压、高栅极裕量、更高的可靠性以及抗噪声和寄生导通才能。

双向氮化镓器件已在用于单级 AC/DC 前端的矩阵有源桥中进行了测试，达成了两个 AC 极性下的电压阻断和获胜的系统演示（图 7）。

图 7. 采纳矩阵有源桥的单级 AC/DC 前端中氮化镓双向开关 (BDS) 的开关波形。正弦 3 相 AC 输入，DC 输出。

诚然氮化镓照旧在很多低功率和中功率诈欺中参预坐褥和现场部署，但令东谈主欢乐的畴昔在于高功率契机，它将对经济、生态和社会产生更刚劲的影响。本文先容的高压和高电流氮化镓、短路才能和单片双向集成将在数据中心、东谈主工智能、交通输送等范畴明白伏击作用。

接下来，咱们对有望挑战SiC地位的垂直氮化镓氮化镓进行分析。

垂直氮化镓，尚能饭否？

如全球所见在功率退换范畴，宽带隙半导体正在速即取代硅器件。大能隙（碳化硅为 3.23 eV，氮化镓为 3.4 eV）和相应的大击穿场使这些材料成为开辟高效功率半导体器件的理思材料（材料对比见表 I）。

在功率半导体范畴，目下采纳了几种器件结构，如图 1 所示。超结晶体管有助于在给定芯片尺寸的情况下最大限制地减少传导损耗，因此是硅器件的可靠处置有规画；碳化硅晶体管基于不同的成见（JFET、平面 MOSFET 或沟槽 MOSFET），规画电压可达 2 kV 或更高。市面上销售的氮化镓晶体管基于横向 HEMT（高电子迁徙率晶体管）瞎想，由于使用了通过极化掺杂产生的二维电子气体 (2DEG)，可确保高迁徙率和低寄生。

硅、碳化硅和氮化镓商用器件之间的比较（图 2）标明，氮化镓 HEMT 结构的栅极电荷、反向归附电荷和 ? 乘积皆要低得多，从而大大镌汰了功率退换器中的电阻损耗和开关损耗。最近，氮化镓范畴的翻新来自垂直器件结构的开辟，以进一步提高功率密度和电流密度 。

接下来，咱们探讨了具有垂直结构的功率 GaN 器件在运行和可靠性方面所面对的挑战。咱们先容了在咱们实验神态中取得的最新原始数据：在腹地和外来衬底上助长的特质；硅基氮化镓外延中雪崩才能的讲授；阈值电压不认知性的物理根源；导致器件击穿的经由以及可能的改造计谋。

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可靠性挑战

A.优化漂移区以提高性能/可靠性

垂直氮化镓器件的性能在很猛进程上取决于漂移区的特质。镌汰不测杂质浓度成心于提高迁徙率。对于高残余碳(~1017?3 )，已索取出低至 202 /()的迁徙率，而对于更高质料的材料，则有报谈称其迁徙率值约为 9602 /()，可与碳化硅的迁徙率相失色。漂移区的残余电导率也会遣散为退守过大走电流而施加到堆栈上的最大电压。为了研究这个问题，咱们在原生氮化镓衬底上助长了厚度为 10 μm 的漂移层（在 pn 结中，图 3），掺杂水平约为8 ? 1015?3；这种结构的击穿电压可达 1.2 kV 以上（图 4），即与碳化硅器件的电压范围兼容。

咱们详确到，与垂直GaN-on-GaN（< 104 ?2）比拟，在低老本的海外衬底上助长会诱发更大的位错密度 108 ?2。这可能会导致更高的走电流（见图 4 中蓝维持衬底上的数据）：在电压低于 1200 V 的外来衬底上运行是可行的。值得详确的是，咱们最近在硅基氮化镓伪垂直 pn 二极管中演示了近千伏的雪崩才能（图 5），这是可靠运行的必要特质（存在于硅和碳化硅器件中）。

B、移除衬底和垂直膜成见

不雅察图 1 中的主要硅和碳化硅器件结构，不错了解到对于氮化镓垂直器件来说，垂直电流流亦然一个必要条目，以尽量减少寄收效应和电流拥堵效应。如若使用的是腹地衬底，可通过在晶片底部顺利千里积金属来达成。对于外来衬底，可通过在晶体管区域下方局部移除衬底来达成。典型的工艺是蚀刻（用于硅衬底）或激光剥离（用于蓝维持衬底）。图 6 炫夸了由此产生的结构以及器件图片和 ID-VD 弧线；为确保高导电性，使用了钛/铝后面触点，并用铜金属化加固。在 VD=1V 和 VG=20V 条目下索取时，0.52 宽广毫米晶体管的最好 RonA 测量值为 5.2 mOhmcm2。

C、电荷拿获欢快和不认知性

碳化硅器件在正栅极应力作用下可能会出现显赫的阈值电压偏移（0.5V-1 V ）。典型的经由包括（图 7a的范围/界面态的电子拿获 图7b）冲击电离引起的空穴拿获。

为了研究氮化镓垂直 MOS 结构中阈值不认知性的物理根源，咱们瞄准垂直 MOS 电容器（图 8）和 MOSFET（图 9）进行了泛泛分析，并磋议了两种不同的电介质（Al2O3 和 SiO2）。

对 MOS 电容器（Al2O3 电介质）进行的脉冲电容-电压（C-V）分析标明，存在正（PBTI）和负（NBTI）阈值不认知性（图 10），C-V 弧线中存在特征性 “驼峰”。通过快速 CV 测量对界面陷坑密度进行了实验估量，遣散标明以 EC-0.6 eV 为中心存在一个深电平峰（图 11）。得到的陷坑散布被输入到 TCAD 模拟中（图 12），遣散与实验数据相当吻合。C-V 弧线中的驼峰是由于费米级在电荷散布峰值对应的能量处被钉住。

为了详情 Al2O3 千里积的最好条目，咱们进行了进一步的实验。遣散（图 13）标明，与等离子体增强 ALD（PEALD）比拟，热 ALD（ThALD）取得的 CV 滞后较低。然则，由于 ThALD 的平安性可能有限，羼杂（ThALD/PEALD）堆栈被以为是最有但愿用于 Al2O3 垂直 FET 的千里积工艺。

对于 MOSFET（使用二氧化硅电介质）中的电荷拿获，发现第一代器件在正栅极应力的作用下，阈值电压会出现彰着的正移（图 14）。

磋议到沟谈电子向氧化硅陷坑态的隧穿，不错建议一个数学模子来解释能源学。通过磋议隧穿概率（图 15 中的公式 (i)）和计较陷波电荷积分（图 15 中的公式 (ii)），咱们疏忽准确地再实际验数据，并与图 15 插图中的模子保抓一致。咱们还进行了 TCAD 模拟，以研究范围（BT）和界面（IT）陷坑的作用。对陷坑散布进行了校准，同期磋议了带隙上半部分的供体和 EC 隔邻短促散布的受体。

遣散标明，栅极电压越高，电子从沟谈到 BT 的隧穿概率越高，阈值电压也随之变化（图 16）。新一代器件（图 17，器件 B）炫夸电子拿获大大减少。从器件 A 到器件 B 的首要改造是通过编削 SiO2 千里积工艺达成的，从 785 ℃ 的低压 CVD（LPCVD）和 800 ℃ 的 PDA，到 880 ℃ 的 LPCVD 和 900 ℃ 的 PDA。

D. 失效经由

一系列栅极和漏极阶跃应力实验评估了氮化镓垂直器件的可靠性。在栅极阶跃应力期间，在具有 70 nm SiO2 栅极电介质的器件上，发现栅极电流在 VG=45 V 时不错忽略不计（图 18 (a)）；在更高的电压水平上，载流子通过氧化物注入导致走电流增多，直到在 VG=60 V 时失效。在碳化硅器件上进行的访佛实验标明，载流子通过 Fowler-Nordheim 纯正从半导体注入栅极的作用很大；露出在较高的栅极电压下可能会导致电子在氧化物中拿获，从而使阈值电压发生正向搬动（见图 18 (b)，并与之进行比较，发现碳化硅器件的失效电压与其访佛）。不雅察到的失效经由归因于栅极绝缘体的击穿；在垂直 FET 中，由于电场的拥堵，沟槽角可能是成心的失效点（图 18 (c)）。

此外，在栅极接地、漏极电压较高的漏极应力情况下，氧化物中的电场可能接近电介质的击穿场强。图 19（a）炫夸了模拟遣散（VG=0 V，VD=100 V），标明电场进步 6 MV/cm。与碳化硅器件的比较标明，照应沟槽两侧和底部的电场是确保高离态可靠性的关节步履。东谈主们建议了各式处置有规画，包括底部厚氧化物 、双沟槽结构、双 p 基底结构和底部保护 p 阱 。此类处置有规画也正在对氮化镓垂直场效应晶体管进行初步探索（即使氮化镓的区域采选性 p 型掺杂不如碳化硅闇练）：图 19 (b) 炫夸了一个例子，与对碳化硅所作念的访佛，沟槽底部（标记为 “p-阱”）抛弃了一个 p 型屏蔽，以显赫镌汰关态条目下电介质上的场强（与图 19 (a) 比较）。

一言以蔽之，氮化镓垂直器件是下一代电力电子器件的绝佳处置有规画。原生衬底可确保 >1.2 kV 使命电压下的最低走电流，而蓝维持和硅等外来衬底则可在衬底移除的情况下用于较低电压使命。为了取得低老本的氮化镓垂直期间，咱们建议了垂直膜晶体管的成见。通过外延和工艺优化，达到了接近 kV 的击穿电压，并在硅衬底上展示了雪崩才能。

关节的电荷拿获经由已被识别和建模；针对 Al2O3 和 SiO2 电介质，建议了将阈值电压不认知性降至最低的处置有规画。针对栅极和漏极应力，详情并描述了垂直氮化镓器件的主要失效经由。

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