北京大學攻克30年來氮化鎵動態電阻難題，應用市場有望再拓展

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。

具體來說，在 4500V 工作電壓下，超高壓 GaN 功率器件的動態電阻退化僅為 2%。與之對比的是，同一晶圓上的傳統器件在 500V 工作電壓下，動態電阻退化已超過 100%。

該技術有望為新能源汽車、軌道交通、電力傳輸、分布式儲能、清潔能源、數據中心電源等應用設備提供高效率、輕量化、小型化的能源管理系統。


行業瓶頸：GaN 功率器件難以用于千伏級別電壓等級

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。


解決有源鈍化 GaN 晶體管的三個技術難題

那么，是否有可能從根本上解決動態電阻退化的問題呢？

早在 20 年前，美國加州大學圣巴巴拉分校研究人員嘗試采用一個 p 型半導體層，來屏蔽器件表面陷阱的影響，但未取得理想的結果。

魏進在香港科技大學讀博時，就開始思考如何利用屏蔽效應消除表面深能級陷阱態的影響。彼時，很多國內外課題組發現 GaN 功率器件閾值電壓漂移的現象，并認為這是 GaN 半導體材料缺陷引起的。

2019 年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件時，發現在某些情況下，因為器件結構設計，會出現電荷存儲現象造成器件特性漂移。因此，當產生電荷損失時，沒有電荷源泉可以快速補充電荷，導致器件穩定性變差。

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。

加入北京大學后，魏進課題組的研究方向是功率半導體器件，研究重點包括 GaN 功率器件、SiC 功率器件以及功率集成電路技術。

他和團隊成員再次將注意力投入到“動態電阻退化”這個古老的方向上。之前，在動態閾值電壓理論上的研究給他們提供了重要的思路。

魏進表示：“當我們再思考如何屏蔽表面深能級陷阱態時，意識到為屏蔽層提供能夠快速響應的電荷源泉，是解決問題的關鍵。因此，我們有了這一概念的雛形。”

最初，該團隊認為，屏蔽電荷的源泉應該是固定電位，器件中的固定電位只有器件源極，即參考電壓 0V。然而，p 型屏蔽層的引入會耗盡下方的電子溝道，造成電子濃度的減少甚至消失。

因此，他們將研究重點放在怎樣彌補屏蔽層下方的電子損失。魏進表示：“有一天我突然想到，屏蔽層與柵極連接可利用柵極的正電壓所產生的場效應，來恢復屏蔽層下方的電子濃度。”

在零電壓偏置下，有源鈍化層耗盡下方的電子溝道，實現增強型工作模式。當需要器件導通時，研究人員采用一種與傳統器件截然不同的方式產生電子溝道。

具體來說，傳統器件利用表面深能級陷阱為溝道提供電子，而該器件則是利用柵極電壓的場效應作用，重新在溝道中產生高濃度的電子。

但這時仍有一個棘手的問題：器件的耐壓能力是否會受到有源鈍化結構的影響？根據在 GaN p 溝道晶體管的研究經驗，魏進發現，當 p 型層足夠薄時可被耗盡，從而實現超高的耐壓能力。

至此，有關有源鈍化 GaN 晶體管的三個主要技術難題被完美解決，即如何實現低動態電阻、如何實現增強型工作模式、如何承受高壓。“相關的實驗結果也充分驗證了我們的想法。”魏進說。

該器件展示了溝道電子的產生可以不依賴于表面深能級陷阱態，并且，表面深能級陷阱態的影響從原理上能夠被完全消除。最終，該器件同時實現了三個關鍵特性：大于 6500V 的超高耐壓、增強型工作模式以及超低動態電阻。


氮化鎵應用不斷擴充

前10年一直在消費電子領域沖浪的氮化鎵（GaN）技術不斷創新發展，近兩年來逐漸在汽車、數據通信以及其他工業應用等行業嶄露頭角。

消費領域一直是原始設備制造商（OEM）采用GaN的主要驅動力，其中電力設備市場為主流市場，快速充電器為主要應用，此外還包括一些音頻設備等。借助GaN，智能手機制造商可以制造尺寸更小且性價比更高的充電器。

目前市場上大多數基于GaN的充電器都在65W左右或以下，業界表示這是性價比的“最佳點”。但是，隨著市場對于更高功率的需求，智能手機快速充電器的目標功率高于75的新趨勢可能會在不久的將來推動智能手機 OEM對GaN的采用。大多數國家超過75W的功率需要功率因數校正(PFC)電路，這需要使用更多的GaN含量。

另外，在汽車、數據通信以及其他工業應用中GaN技術的得到進一步應用。比如在汽車領域，其主要驅動力將是電動汽車的車載充電器（AC-DC轉換）以及DC/DC轉換器（電壓范圍為48V至400V）。市場消息顯示，大概到2030年左右，OEM將開始考慮在主逆變器 (650-800V) 中集成GaN。

從市場情況看，在過去幾年越來越多的汽車制造商與GaN器件供應商合作。如德國汽車系統制造商ZF與以色列GaN公司VisIC合作，意大利汽車零部件制造商Marelli則與GaN器件公司Transphorm合作等。


氮化鎵器件有望持續放量

第三代半導體材料憑借其優越性、實用性和戰略性，被許多發達國家已經列入國家計劃，進行全面部署，包括氮化鎵在內的器件將成為發展主流。

氮化鎵產業鏈一般劃分為上游的材料即襯底和外延片、中游的器件和模組、下游的系統和應用。從各環節來看，歐美日企業發展較早，技術積累、專利申請數量、規模制造能力等方面均處于絕對優勢。

我國在自主替代大趨勢下，目前在氮化鎵產業鏈各環節均有所涉足，在政策支持下已在技術與生產方面取得進步，產業結構相對聚焦中游，多家國內企業已擁有氮化鎵晶圓制造能力。

此外，5G通訊的革命性轉變重塑了射頻技術產業，也為我國氮化鎵器件帶來重大的市場機遇。5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅動因素之一，氮化鎵射頻器件主要應用于無線通訊，占比到達49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優勢使得射頻器件應用在5G基站中更加合適。隨著國內5G基站覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻器件需求將更大。

此前，通過性能優化、產能提升、成本控制之后，我國氮化鎵在消費電子領域逐漸站穩了腳跟，成為主要驅動力。未來，隨著下游新應用規模爆發，以及氮化鎵襯底制備技術不斷取得突破，氮化鎵器件有望持續放量，將成為降本增效、可持續綠色發展的關鍵技術之一。


市場接受度和行業景氣度不斷攀升

目前，氮化鎵已經擁有了足夠廣闊的應用空間。作為第三代半導體新技術，也是全球各國爭相角逐的市場，并且市面上已經形成了多股氮化鎵代表勢力，氮化鎵的市場接受度和行業景氣度正在不斷攀升，技術革新也在不斷推進。

同時，隨著5G通信生態、AIGC、云計算、大數據等新興技術的快速發展，高速、高效、高能的半導體器件需求將日益增加，氮化鎵器件作為重要的功率和射頻器件，將具備廣闊的發展前景。同時，隨著新基建、新能源、新消費等領域的持續推進，氮化鎵器件將在太陽能逆變器、風力發電、新能源汽車等方面得到廣泛應用。

因此，伴隨5G通信和消費電子業務的確定性增長、新能源賽道與數據中心的集中爆發，未來3-5年氮化鎵器件將在5G通信基站、高功率電源、新能源汽車、數據中心等領域出現較快增長。

可以說，氮化鎵在性能、效率、能耗、尺寸等方面較市場主流的硅功率器件均有顯著數量級的提升，但其發展也面臨著許多問題。一方面，氮化鎵是自然界沒有的物質，完全要靠人工合成。氮化鎵沒有液態，因此不能使用單晶硅生產工藝的直拉法拉出單晶，純靠氣體反應合成。另一方面，由于反應時間長，速度慢，反應副產物多，設備要求苛刻，技術異常復雜，產能極低，導致氮化鎵單晶材料極其難得。但是目前來看，缺點在于產品成本很高，不利于大批量生產。

期待氮化鎵產業快速增長的同時，要想氮化鎵產能提升、成本控制并形成完全產業鏈，所面對的挑戰也不容小覷。目前，我國多個科研團隊已經開始著手攻克相關難題，期待我國憑借氮化鎵等材料技術優勢，早日實現第三代半導體真正自主可控。