近期，北京大學(xué)團隊研發(fā)增強型 p 型柵氮化鎵（GaN）晶體管，并首次在高達 4500V 工作電壓下實現(xiàn)低動態(tài)電阻工作能力。

研究人員在 GaN 功率器件的表面引入新型有源鈍化結(jié)構(gòu)，在藍寶石襯底成功制備具有該結(jié)構(gòu)的新型器件。所制備的器件擊穿電壓得到大幅度提升，實現(xiàn)大于 6500V 的耐壓能力。通過提供低成本的增強型 GaN 功率器件解決方案，攻克了制約 GaN 功率器件近 30 年的動態(tài)電阻難題，打破了“GaN 功率器件不適用于千伏級工業(yè)電子應(yīng)用”的固有觀念。


氮化鎵為何物？

在被稱作發(fā)光二極管的節(jié)能光源中，氮化鎵已經(jīng)使用了數(shù)十年。在一些平凡的科技產(chǎn)品，如藍光碟片播放器里，氮化鎵也有應(yīng)用。但耐熱和耐輻射的特性，讓它在軍事和太空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。如今，反彈道導(dǎo)彈雷達和美國空軍用來追蹤空間碎片的雷達系統(tǒng)“太空籬笆”也使用了氮化鎵芯片。

第一代半導(dǎo)體是硅，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題；第二代半導(dǎo)體是以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；第三代半導(dǎo)體以氮化鎵為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。

氮化鎵（化學(xué)式GaN）被稱為“終極半導(dǎo)體材料”，可以用于制造用途廣泛、性能強大的新一代微芯片，屬于所謂寬禁帶（wide-bandgap，氮化鎵的禁帶寬度是3.4 eV電子伏特）半導(dǎo)體之列，是研制高效率、高功率微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料。

氮化鎵，分子式GaN，英文名稱Gallium nitride，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，其單芯片亮度理論上可以達到過去的10倍。例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。

氮化鎵具有的直接帶隙寬、原子鍵強、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、具有較高的內(nèi)、外量子效率、發(fā)光效率高、高強度和硬度(其抗磨力接近于鉆石)等特點和性能可制成高效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件——發(fā)光二極管（Light－emittingdiode,簡稱為LED）和激光器（Laserdiode,簡稱為LD）。并可延伸至白光LED和藍光LD。抗磨力接近于鉆石特性將有助于開啟在觸控屏幕、太空載具以及射頻(RF) MEMS等要求高速、高振動技術(shù)的新應(yīng)用。


汽車是最具前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一

汽車被認為是氮化鎵最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在2019東京車展上，豐田汽車曾展出一款與他方共同研發(fā)的all-GaN概念車。據(jù)介紹，該款車配裝使用氮化鎵元器件的高效逆變器，能使二氧化碳減排至少20％。

隨著電動化、智能化的發(fā)展，今天的汽車比以往任何時候都集成了更多的電力系統(tǒng)。隨著這一需求的出現(xiàn)，電氣工程師需要創(chuàng)新技術(shù)與成本上都可行的新設(shè)計——重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耐久性強的系統(tǒng)，這樣汽車的性能才不會受到影響。為此，一些車企的解決方案轉(zhuǎn)向氮化鎵場效應(yīng)晶體管（GaN FET）。

據(jù)介紹，氮化鎵將在新能源汽車領(lǐng)域開啟新天地，主要有三種應(yīng)用：車載充電器，用于給高壓電池充電；DC/DC轉(zhuǎn)換器，將來自高壓電池的電力轉(zhuǎn)換給汽車上其他電子設(shè)備；牽引驅(qū)動或電機控制，可以用于驅(qū)動電機。

Alex Zahabizadeh進一步解釋道，工程師可以利用氮化鎵使混合動力和電動汽車達到現(xiàn)有解決方案兩倍的功率密度，使得充電速度更快，運行更穩(wěn)定可靠并且車載充電系統(tǒng)效率更高。氮化鎵較低的開關(guān)損耗可以提高效率，從而減輕車載散熱系統(tǒng)的負擔(dān)并增加電動汽車的續(xù)駛里程。

此外，氮化鎵場效應(yīng)晶體管更高的工作頻率，還可將功率磁性器件的尺寸減小約60％，從而降低系統(tǒng)成本并提高整體功率密度。基于氮化鎵在600～650V額定設(shè)備上更加優(yōu)良的開關(guān)性能，其最直接的應(yīng)用將是汽車高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載AC/DC充電器。

在汽車領(lǐng)域，車企正在嘗試將氮化鎵用于未來的車載充電器和高壓直流轉(zhuǎn)換器中，預(yù)計量產(chǎn)車最快將在2023年有可能搭載氮化鎵元器件。如果車企的判斷準確，那么2024～2026年，更經(jīng)濟實用的電動汽車數(shù)量的增加將帶動氮化鎵元器件獲得更廣泛的應(yīng)用。


實現(xiàn)千伏級別電壓等級行業(yè)應(yīng)用

GaN 半導(dǎo)體材料因具備卓越的耐壓與輸運特性，有望推動電子設(shè)備在系統(tǒng)效率提升、系統(tǒng)微型化發(fā)展方面取得革命性進展。

目前，GaN 功率器件的電壓等級并非受限于擊穿電壓，而是被局限于高壓工作后的動態(tài)電阻退化。動態(tài)電阻退化源于器件表面的深能級陷阱響應(yīng)速度極為緩慢，一旦填充電子需要很長時間才能恢復(fù)，這些表面負電荷排斥溝道中的電子引起動態(tài)電阻退化。同時，GaN 功率器件又依賴于表面深能級陷阱態(tài)，為導(dǎo)電溝道提供載流子。因此，動態(tài)電阻退化被認為是 GaN 功率器件的本征特性之一。

經(jīng)歷近 20 年的研究，目前業(yè)界普遍采用 3 至 4 個場板結(jié)構(gòu)，可以將 650V 電壓等級的 GaN 功率器件的動態(tài)電阻退化控制在可接受的程度。然而，對于更高電壓等級的器件，所需場板數(shù)量成比例增加，每增加一個場板就需要多一次光刻。若想實現(xiàn) 6500V 的 GaN 功率器件，則需要幾十次額外的光刻，因此失去了現(xiàn)實意義。有鑒于此，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界形成普遍的共識：GaN 功率器件不適用于千伏級別的電壓等級。

經(jīng)過分析，魏進發(fā)現(xiàn) GaN 功率器件有類似之處。“這說明 GaN 器件的閾值電壓本質(zhì)上是動態(tài)變化的，而非由材料缺陷所導(dǎo)致。”他說。后續(xù)很長時間，魏進都在研究如何驗證這一理論。他與所在團隊發(fā)明了一種測試方法，對器件內(nèi)部的存儲電荷量與閾值電壓漂移量分別測試，發(fā)現(xiàn)這二者完全吻合。基于此，他們提出 GaN 功率器件動態(tài)閾值電壓理論，讓“動態(tài)閾值電壓”概念成為 GaN 功率器件的普遍共識。

目前，成熟的超高壓功率器件是垂直型 Si 絕緣柵雙極晶體管或 Si 晶閘管，但它們的開關(guān)頻率非常低。一種解決方案是采用寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 功率器件，以大幅度提高開關(guān)頻率。據(jù)研究團隊估計，在大規(guī)模量產(chǎn)條件下，同等電流水平的 GaN 器件的成本接近 Si 器件，但是卻能帶來性能上的“飛躍”。

目前，美國在 GaN 超高壓器件領(lǐng)域投入大量研發(fā)資源，而中國在該領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先的水平。然而，中國相關(guān)配套技術(shù)的研發(fā)仍未啟動。魏進表示：“希望我們的研究結(jié)果能夠鼓勵國內(nèi)在 GaN 超高壓器件的研發(fā)投入，推動配套技術(shù)從實驗室進入到產(chǎn)品化階段的研發(fā)。”

后續(xù)，魏進將與團隊進一步探索 GaN 超高壓功率器件的性能邊界，嘗試通過技術(shù)創(chuàng)新突破一個個曾經(jīng)認為的性能極限，從而展示 GaN 功率器件的巨大潛力。據(jù)悉，研究人員已申請多項相關(guān)專利，同時也在與企業(yè)界保持溝通，探索合作開發(fā)的具體事項。與此同時，他們也將積極研究 GaN 功率器件的應(yīng)用技術(shù)，與其他合作者及產(chǎn)業(yè)界合作，共同探究 GaN 功率器件在應(yīng)用中問題，并提出相關(guān)解決方案。