近日，在美国旧金山举办的IEEE国际电子元件会议（IEDM）上发表了相关论文，题为“6500-V E-mode - 具有超低动态电阻的p-GaN栅极HEMT”。
北京大学博士生崔嘉伟为该论文第一作者，北京大学魏进研究员、王茂军副教授、沈波教授为该论文的共同通讯作者，合作机构包括清华大学、日本名古屋大学。
GaN半导体材料因其优异的耐压性能与传输特性，有望在提升系统效率、小型化等方面推动电子设备的革命性进步。
目前GaN功率器件的电压等级已经不再受限于击穿电压，而是受限于高压工作后的动态电阻退化。动态电阻退化是由于器件表面深能级陷阱的响应速度极慢，一旦充满电子，需要很长时间才能恢复，这些表面负电荷在沟道中对电子产生排斥，造成动态电阻退化。
同时，GaN功率器件依靠深表面能级陷阱态为导电沟道提供载流子，因此动态电阻衰减被认为是GaN功率器件的本征特性之一。
经过近20年的研究，业界现在普遍采用3~4个场板结构，可以将650V电压级GaN功率器件的动态电阻衰减控制在可接受的水平。
但对于更高电压等级的器件，所需的场板数量成比例增加，而每增加一个场板就需要多进行一次光刻，如果要做到6500V的GaN功率器件，就需要多进行几十次光刻，这就变得毫无意义了。
鉴于此，工业界和学术界普遍共识是：GaN功率器件不适合千伏级电压等级。
解决有源钝化GaN晶体管的三大技术难题
那么，是否有可能从根本上解决动态电阻衰减的问题？
早在20年前，美国加州大学圣巴巴拉分校的研究人员就尝试利用p型半导体层来屏蔽器件表面陷阱的影响，但并未取得预期的效果。
魏进在香港科技大学攻读博士学位时，就开始思考如何利用屏蔽效应消除深表面能级陷阱态的影响。当时，国内外多个研究小组发现了GaN功率器件阈值电压漂移现象，并认为这是由于GaN半导体材料中的缺陷引起的。
2019年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件时发现，在某些情况下，由于器件结构设计，会出现电荷存储现象，导致器件特性漂移。因此，当发生电荷损失时，没有电荷源可以快速补充电荷，导致器件稳定性较差。
魏进分析后发现，GaN功率器件也有类似之处。“这说明GaN器件的阈值电压本质上是动态的，并不是材料缺陷引起的。”他说。
魏进花了很长时间研究如何验证这个理论，他和团队发明了一种测试方法，测试器件内部存储电荷量与阈值电压漂移，结果发现，二者完全一致。
在此基础上，他们提出了GaN功率器件的动态阈值电压理论[2]，使得“动态阈值电压”概念成为GaN功率器件的共识。
加入北大后，韦进课题组专注于功率半导体器件研究，研究重点包括GaN功率器件、SiC功率器件、功率集成电路技术等。
他和团队成员再次将目光聚焦在“动态电阻退化”这个老方向功率，此前，动态阈值电压理论的研究为他们提供了重要的思路。
魏进说：“当我们思考如何屏蔽表面的深能级陷阱态时，我们意识到为屏蔽层提供能够快速响应的电荷源是解决问题的关键。因此，我们有了这个概念的原型。”
图丨左：传统GaN功率器件结构。当器件表面有捕获电荷时，下沟道中的载流子受到排斥，导致器件动态电阻增大；右：提出的有源钝化器件。当器件表面有捕获电荷时，有源钝化层中的可移动正电荷可以抵消表面电荷的影响，动态电阻不发生变化（来源：IEDM）
最初，团队认为屏蔽电荷的来源应该是固定电位，而器件中唯一固定电位就是器件的源极，也就是参考电压0 V。然而，p型屏蔽层的引入会耗尽下方的电子通道，导致电子浓度降低甚至消失。
于是，他们把研究的重点放在了如何弥补屏蔽层下的电子损失上。魏进说：“有一天我突然想到，可以把屏蔽层接到栅极上，利用栅极正电压产生的场效应，恢复屏蔽层下的电子浓度。”
图丨蓝宝石衬底上制备的超高压GaN功率器件透射电子显微镜图像（来源：IEDM）
在零电压偏置下，活性钝化层耗尽下方的电子通道，实现增强模式操作。当器件需要开启时，研究人员使用与传统器件完全不同的方式来生成电子通道。
具体来说，传统器件是利用深表面能级陷阱为沟道提供电子，而该器件是利用栅极电压的场效应在沟道中重新产生高浓度的电子。
但还有一个棘手的问题：器件的耐压能力会受到有源钝化结构的影响吗？韦进结合自己在GaN P沟道晶体管的研究经历发现，当P型层足够薄时，可以将其耗尽，从而实现超高耐压能力。
至此，有源钝化GaN晶体管的三大技术难题已得到完美解决，即如何实现低动态电阻、如何实现增强工作模式、如何耐高压。“相关实验结果也充分验证了我们的想法。”魏进说。
该器件证明了沟道电子的产生可以不依赖于表面深能级陷阱态，且原则上可以完全消除表面深能级陷阱态的影响，最终使器件同时实现了大于6500V的超高耐压、增强工作模式、超低动态电阻三大关键特性。
低成本实现性能飞跃
目前成熟的超高压功率器件为垂直Si绝缘栅双极晶体管或Si晶闸管，但其开关频率很低，解决措施之一是采用宽带隙半导体SiC功率器件，大幅提高开关频率。
然而，SiC超高压器件需要特殊的厚外延工艺，外延材料的背景掺杂需要控制在极低的水平，这需要极高的成本。对于SiC功率器件来说，额外的成本还包括昂贵的衬底和特殊的高温工艺设备。
GaN超高压器件采用与低压器件相同的外延材料、蓝宝石衬底以及成熟的Si工艺设备。据了解，该技术沿用低压器件的工艺流程，甚至不需要专门针对超高压器件区域开发工艺流程，只需要修改版图设计即可。
研究团队预计，在大规模量产条件下，同等电流水平的GaN器件成本将接近Si器件，但会带来性能的“飞跃”。
目前，美国在GaN超高压器件领域投入了大量的研发资源，而中国在该领域的研究处于世界领先水平。但国内相关配套技术的研发尚未起步。魏进表示：“希望我们的研究成果能够鼓励国内对GaN超高压器件的研发投入，推动配套技术从实验室走向产品阶段。”
图丨红线为传统GaN功率器件动态电阻与初始静态电阻的比值功率，在经历500V电压后，动态电阻退化为静态电阻的10倍以上，器件完全无法使用。蓝线为提出的有源钝化器件，在经历4500V电压后，动态电阻几乎完全等于静态电阻（来源：IEDM）
未来，功率器件的突破有望带来能源管理技术的变革。
人们或许会看到笨重的电力变电站变得更加紧凑，从而能够更加灵活地部署在城市中；电动汽车中笨重的电机驱动和充电模板变得更加紧凑，从而释放宝贵的乘客空间或安装更高容量的电池，以大幅增加行驶里程。
电力装置的突破有望对未来社会的组织方式产生深远影响，使曾经受到能源管理系统重量、尺寸以及设备续航能力限制的概念性应用更快地变为实用，例如小型载人飞机和可穿戴机械外骨骼。
持续探索GaN超高压功率器件的性能边界
在微电子器件领域最高学术会议IEDM上，魏进课题组还发表了另外两篇论文，一篇是关于克服GaN动态阈值电压漂移[3]英语作文，另一篇是关于在体硅衬底上实现650V GaN集成电路[4]。两篇论文的第一作者均为该课题组博士生杨俊杰。
值得注意的是，本次IEDM会议上，功率器件分会共有13篇论文，其中北京大学有3篇。这是IEDM会议上极为罕见的一幕：中国研究团队成为微电子器件国际顶级会议某一重大研究方向的主力军。
