1、垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况李博1,尹越2,阳志超3,刘新科1*,李京波4*1.深圳大学材料学院,广东省功能材料界面工程技术研究中心,深圳 518071;2.中国建筑技术中心,北京 101300;3.东莞南方半导体科技有限公司,东莞 523781;4.华南师范大学半导体科学技术研究院,广州 510631 同等贡献*联系人,E-mail:;2022-07-19 收稿,2022-09-18 修回,2022-09-23 接受,2022-09-26 网络版发表国家自然科学基金(61974144,62004127)、广东省重点领域研究发展计划(2020B010174003)、广东省杰出青年
2、科学基金(2022B1515020073)和深圳市科学技术基金(JSGG20191129114216474)资助摘要氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的代表之一,因其优越的性能,例如高电子迁移率、高电子饱和速率、耐高温及高热导率等优点吸引了越来越多的关注.也正是因为这些优点,垂直氮化镓功率晶体管在未来的电力电子领域中具有很大的发展和广泛的应用前景.本文列出了氮化镓材料和其他半导体材料主要的物理参数、氮化镓单晶制备及其外延生长的主要方法,阐述了氮化镓功率器件在目前环境下的优势.针对器件结构,列出了横向器件本身存在的问题和垂直器件的优点,解释了垂直器件为何能够成为未来功率器件的主流结构.在此基础上,
3、详细介绍了氮化镓电流孔径垂直晶体管、垂直氮化镓沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管、基于原位氧化物氮化镓夹层的垂直沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管和垂直氮化镓鳍式场效应晶体管的结构、工作原理、研究进展及所存在的一些问题,并将文中所提及的垂直氮化镓功率晶体管的性能参数按器件种类和时间顺序进行归纳,为未来氮化镓功率晶体管的发展提出了大致的方向.针对集成电路系统,归纳了氮化镓功率器件在驱动芯片方面的特殊要求和关键技术.最后,针对当下的市场环境,列举了垂直氮化镓功率晶体管在中、低压范围内比较热门且发展前景较好的应用场景.关键词氮化镓,外延生长,垂直氮化镓晶体管,氮化镓驱动集成电路电力电子技术是一项使用电力
4、电子器件将电能进行转换并加以控制的技术,其核心就是功率半导体器件,它可以快速高效地完成弱电对强电的控制,是保证设备正常使用的关键技术.功率器件可分为两类:一类是以功率二极管、晶闸管、绝缘双极型晶体管为主的双功率半导体器件;另一类是以垂直双扩散金属氧化物半导体(vertical double-diffused metal-oxide-semicon-ductor,VDMOS)为代表的功率金属氧化物半导体(me-tal oxide semiconductor,MOS)器件为主的单极功率半导体器件.自1958年以来,硅基金属氧化物半导体场效应晶体管就一直在全球微电子行业占据主导地位,并应用于各种电子
5、设备当中.随着5G技术、汽车、无线通信、航天航空等技术的高速发展,电气化程度的提高对耐高温、耐高压、高频及大功率的性能有着迫切需求,例如在汽车领域,内部各设备所需的电压范围为6001500 V1,而传统的硅基器件以及横向晶体管(如引用格式:李博,尹越,阳志超,等.垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况.科学通报,2023,68:17271740Li B,Yin Y,Yang Z C,et al.Recent progress on the vertical GaN power transistor and its integrated circuit(in Chinese).Chin Sc
6、i Bull,2023,68:17271740,doi:10.1360/TB-2022-0778 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 14 期:1727 1740后摩尔时代第三代半导体材料与器件专题进 展高电子迁移率晶体管,high electron mobility transistor,HEMT)都存在一些问题,如材料性能不足以满足一些特殊场景或器件结构所带来的弊端,导致它们都无法承担这一重任.功率半导体器件的进步,核心就是半导体材料的发展.氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体的代表之一,拥有着宽禁带、高击穿场强、高热导率和高电子漂移速率等优点,制备出的氮化镓器件导通电阻小
7、、电子迁移率高、热导性好,而且在散热、能耗、体积等方面也有着很大的优势,不仅能够极大地提升新兴电力电子器件的性能,还能达到节省能源的效果.如图1所示,氮化镓材料在低、中、高压下都有着很多的应用场景,适用范围十分广泛.近年来,不管是同质外延,还是异质外延,氮化镓外延层的碳背景浓度和位错密度都在逐渐降低.氮化镓自支撑衬底的成本逐渐下降,质量逐渐提高,为制备氮化镓垂直器件打下了坚实的基础.本文总结了氮化镓材料与其他半导体材料的主要物理参数及氮化镓外延生长的主流方法,主要介绍了目前氮化镓电流孔径垂直晶体管、垂直氮化镓沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管、基于原位氧化物氮化镓夹层的垂直沟槽金属氧化物半导体场
8、效应晶体管以及垂直氮化镓鳍式场效应晶体管的发展状况,概括了氮化镓驱动集成电路(integrated circuit,IC)的关键技术,列出了氮化镓功率晶体管的一些实际应用场景.1氮化镓材料及其制备方法1.1氮化镓材料应用于功率器件的优势电力电子器件的蓬勃发展与半导体材料的发展息息相关.硅材料的出现使得电子器件领域发生了巨大的变化.随着单晶硅生产工艺的发展,硅材料很快就占据了半导体集成电路的主要市场,广泛应用于各个领域当中,即便是今天,硅在半导体材料领域依然占有很高的份额.随着功率器件的发展,硅基电力电子器件的性能逐渐逼近材料极限,很难有更大的突破.第二代半导体砷化镓(GaAs)具有更高的电子迁
9、移率和饱和电子速度等优势,稍微缓解了这一现象,但是由于GaAs材料的禁带宽度、热导率、击穿场强及制作成本与硅(Si)材料相比并没有太大的优势,导致其在高压高频率领域中得不到广泛的应用.因此,以GaN为代表的第三代半导体横空出世,掀起了研究GaN基器件的热潮.表1列出了GaN与其他半导体材料的主要参数.从表1可以看出,GaN是直接间隙半导体,其禁带宽度达到3.4 eV,与Si、碳化硅(4H-SiC)和GaAs相比,GaN在击穿场强、热导率和电子饱和速度等方面有着更大的优势.同时,GaN的功率品质因数(Baliga figureof merit,BFoM)比其他材料大得多,这也就意味着GaN基器件
10、能够更好地在高温、高压和高频率的环境下工作.1.2氮化镓衬底及其外延层的制备在过去10年中,同质外延生长GaN的成本很高,为降低器件的制备成本,采用了在Si、SiC和蓝宝石上异质外延生长的方法,以上这些衬底相比单晶氮化镓衬底具有更低的成本,因此在市场上应用广泛.但是,异质外延生长的GaN内部存在着较大的晶格失配及热失配等问题.表2给出了在不同衬底上外延生长GaN的缺陷浓度、晶格失配和热失配情况.这些失配将会导致外延层产生晶格扭曲,从而形成较高的位错密度,甚至破裂等问题25,会严重影响GaN基器件的性能和使用寿命,这是目前GaN基器件的性能远低于其材料理论极限的重要原因之一.高质量的GaN单晶材
11、料是制备高性能器件的基础,也是根本保障6.获得高质量GaN外延层的最佳方案就是同质外延,即在块状GaN衬底上外延生长GaN层.目前,GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延和液相外延.其中,气相外延包括金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)及其衍生方法,特点在于生产速率快、尺寸大,但晶体质量有待提高,产品一致性较差.液相外延主要采用氨热法和助溶剂法,其特点是可制备高纯度、高晶体质量且重复性高的GaN单晶衬底,但是对设备的要求高,并且生
12、长速率较低.在商业应用中,较低成本HVPE应用最广泛也最成熟,并且随着改良,与氨热法和钠助熔剂法结合,生产的GaN单晶衬底的位错密度在不断降低,晶圆尺寸在逐渐增大,制备成本也在不断地降低.HVPE生产出的GaN是未掺杂的,其载流子浓度只有10161017cm37,难以用于半导体器件的制备,需针对不同的器件引入不同的掺杂剂,从而改变GaN的电学性质.其中,浅施主掺杂剂有硅8和锗9,浅受主掺杂剂有镁10,深能级掺杂剂有铁11和碳12,可分别实现GaN的N型、P型和半绝缘电特性,再加上高纯半绝缘2023 年 5 月第 68 卷第 14 期1728GaN的发展,可以有效提高器件的耐压能力,从而满足各种
13、器件的要求13.2垂直氮化镓功率晶体管按电流在器件内部的流动方向,目前GaN基器件的结构可分为横向结构和垂直结构.横向器件(主要是HEMT)的内部电场分布不均匀,峰值电场会集中在漏极和栅极边缘(电场集中效应),该处的电场强度大于GaN材料的临界击穿场强,导致器件提前击穿,难以发挥GaN材料耐高压的优势.而且,击穿电压和栅极-漏极的间距成正比,即要提高器件的耐压水平就必须增大器件面积,这不仅增加了制作成本,还不利于后期的集成;横向器件对缓冲层的厚度和晶体质量也有一定的要求,增加了器件外延生长的生产成本和复杂性;再加上表面陷阱态和电场拥挤的影响,很容易使器件产生电流崩塌14,15,从而达不到预计的
14、电流值.垂直GaN器件的电流方向平行于GaN外延层的生长方向,这种设计可以有效地提高器件的导通电流和击穿电压.在不改变器件尺寸的情况下,增加GaN漂移层的厚度即可提高器件的击穿电压.垂直器件无须考虑表面陷阱对其的影响16,内部电场在远离表面的GaN层中达到峰值,提高了器件耐压水平的下限.最重表 1GaN及几种核心半导体材料的主要参数Table 1Main parameters of GaN and several core semiconductor materials材料能带类型禁带宽度Eg(eV)相对介电常数r电子迁移率n(cm2V1s1)热导率K(W cm1K1)电子饱和速度Vs(107
15、cm s1)BFoM(相对值)GaN直接带隙3.48.914002.52.41450Si间接带隙1.1211.714401.3114H-SiC间接带隙3.239.669503.72600GaAs直接带隙1.4212.994000.550.916表 2氮化镓在不同衬底材料上的外延生长情况Table 2Growth status of GaN grown by epitaxy on different substrates衬底材料位错密度(cm2)晶格失配(%)热膨胀系数失配(%)GaN约10410600Al2O3(蓝宝石)约10916346H-SiC51083.525Si约1091754图 1氮
16、化镓功率器件的应用情况Figure 1Application of GaN power devices进 展1729要的是,GaN垂直功率器件具有雪崩能力,即存在雪崩击穿,这是横向结构不可能有的,该优点提高了器件的可靠性,避免了过度设计设备.下面分别介绍垂直结构的氮化镓电流孔径晶体管、氮化镓沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管、基于原位氧化物氮化镓夹层的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管和氮化镓鳍式场效应晶体管的原理、结构及主要发展情况.2.1氮化镓电流孔径垂直晶体管电流孔径垂直晶体管(current aperture vertical elec-tron transistor,CAVET)是横向拓扑和纵向拓扑的有效结合,目的是发挥AlGaN/GaN异质结处二维电子气沟道(two-dimensional electron gas,2DEG)的高导电性以及垂直结构所带来的优势.第一个用于高压应用的GaN基CAVET结构由Ben-Yaacov等人17开发完成,其结构与双扩散MOS(double diffused metal oxide semi-conductor,DDMOS)结构类似,如图2(
