耐壓大于6500V！北大團隊解決GaN三個技術難題，研發新型氮化鎵高壓器件

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

研究人員在 GaN 功率器件的表面引入新型有源鈍化結構，在藍寶石襯底成功制備具有該結構的新型器件。所制備的器件擊穿電壓得到大幅度提升，實現大于 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 年的動態電阻難題，打破了“GaN 功率器件不適用于千伏級工業電子應用”的固有觀念。


氮化鎵為何物？

在被稱作發光二極管的節能光源中，氮化鎵已經使用了數十年。在一些平凡的科技產品，如藍光碟片播放器里，氮化鎵也有應用。但耐熱和耐輻射的特性，讓它在軍事和太空領域應用廣泛。如今，反彈道導彈雷達和美國空軍用來追蹤空間碎片的雷達系統“太空籬笆”也使用了氮化鎵芯片。

第一代半導體是硅，主要解決數據運算、存儲的問題；第二代半導體是以砷化鎵為代表，它被應用到于光纖通訊，主要解決數據傳輸的問題；第三代半導體以氮化鎵為代表，它在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各大領域。

氮化鎵（化學式GaN）被稱為“終極半導體材料”，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）的半導體，自1990年起常用在發光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦，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體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405nm）激光。

氮化鎵具有的直接帶隙寬、原子鍵強、熱導率高、化學穩定性好、抗輻射能力強、具有較高的內、外量子效率、發光效率高、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體發光器件——發光二極管（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、高振動技術的新應用。


汽車是最具前途的應用領域之一

汽車被認為是氮化鎵最有前途的應用領域之一。在2019東京車展上，豐田汽車曾展出一款與他方共同研發的all-GaN概念車。據介紹，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、智能化的發展，今天的汽車比以往任何時候都集成了更多的電力系統。隨著這一需求的出現，電氣工程師需要創新技術與成本上都可行的新設計——重量輕、結構緊湊、耐久性強的系統，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向氮化鎵場效應晶體管（GaN FET）。

據介紹，氮化鎵將在新能源汽車領域開啟新天地，主要有三種應用：車載充電器，用于給高壓電池充電；DC/DC轉換器，將來自高壓電池的電力轉換給汽車上其他電子設備；牽引驅動或電機控制，可以用于驅動電機。

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有解決方案兩倍的功率密度，使得充電速度更快，運行更穩定可靠并且車載充電系統效率更高。氮化鎵較低的開關損耗可以提高效率，從而減輕車載散熱系統的負擔并增加電動汽車的續駛里程。

此外，氮化鎵場效應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％，從而降低系統成本并提高整體功率密度。基于氮化鎵在600～650V額定設備上更加優良的開關性能，其最直接的應用將是汽車高壓DC/DC轉換器和車載AC/DC充電器。

在汽車領域，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換器中，預計量產車最快將在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，更經濟實用的電動汽車數量的增加將帶動氮化鎵元器件獲得更廣泛的應用。


實現千伏級別電壓等級行業應用

GaN 半導體材料因具備卓越的耐壓與輸運特性，有望推動電子設備在系統效率提升、系統微型化發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電阻退化。動態電阻退化源于器件表面的深能級陷阱響應速度極為緩慢，一旦填充電子需要很長時間才能恢復，這些表面負電荷排斥溝道中的電子引起動態電阻退化。同時，GaN 功率器件又依賴于表面深能級陷阱態，為導電溝道提供載流子。因此，動態電阻退化被認為是 GaN 功率器件的本征特性之一。

經歷近 20 年的研究，目前業界普遍采用 3 至 4 個場板結構，可以將 650V 電壓等級的 GaN 功率器件的動態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 6500V 的 GaN 功率器件，則需要幾十次額外的光刻，因此失去了現實意義。有鑒于此，工業界與學術界形成普遍的共識：GaN 功率器件不適用于千伏級別的電壓等級。

經過分析，魏進發現 GaN 功率器件有類似之處。“這說明 GaN 器件的閾值電壓本質上是動態變化的，而非由材料缺陷所導致。”他說。后續很長時間，魏進都在研究如何驗證這一理論。他與所在團隊發明了一種測試方法，對器件內部的存儲電荷量與閾值電壓漂移量分別測試，發現這二者完全吻合。基于此，他們提出 GaN 功率器件動態閾值電壓理論，讓“動態閾值電壓”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，但它們的開關頻率非常低。一種解決方案是采用寬禁帶半導體 SiC 功率器件，以大幅度提高開關頻率。據研究團隊估計，在大規模量產條件下，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 超高壓器件領域投入大量研發資源，而中國在該領域的研究處于世界領先的水平。然而，中國相關配套技術的研發仍未啟動。魏進表示：“希望我們的研究結果能夠鼓勵國內在 GaN 超高壓器件的研發投入，推動配套技術從實驗室進入到產品化階段的研發。”

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