以下文章來源于半導體行業(yè)觀察，作者IEDM

過去兩年中，氮化鎵雖然發(fā)展迅速，但似乎已經(jīng)遇到了瓶頸。與此同時，不少垂直氮化鎵的初創(chuàng)企業(yè)倒閉或者賣盤，這引發(fā)大家對垂直氮化鎵未來的擔憂。為此，在本文中，我們先對氮化鎵未來的發(fā)展進行分析，并討論了垂直氮化鎵器件開發(fā)的最新進展以及相關的可靠性挑戰(zhàn)。

氮化鎵的未來：

高電壓、高電流和雙向性

氮化鎵功率器件正在滲透并提高包括快速充電器和電源在內(nèi)的多種消費類應用的效率。大眾市場對此反應熱烈，氮化鎵的應用在手機和筆記本電腦等便攜設備（功率范圍在 65 到 250W 之間）的快速充電器以及高達 3.2 kW 的電源中蓬勃發(fā)展。

隨著氮化鎵開始在低功率應用中部署并證明其在現(xiàn)場的可靠性，我們現(xiàn)在看到了氮化鎵滲透到高功率應用的機會，這將對經(jīng)濟、生態(tài)和社會產(chǎn)生更實質(zhì)性的影響。強大的機遇存在于能量收集、汽車、數(shù)據(jù)中心和人工智能領域。為了實現(xiàn)這一目標，必須對重要元素進行完善。為了提供高功率，氮化鎵必須處理高電壓和高電流，不僅要高效，還要安全、可靠且低成本。氮化鎵擁有所有成功的特性。

在本文中，我們將介紹突破性的賦能技術：1200V 額定值、大外延氮化鎵器件（電流額定值高達 170A，單芯片功率高達 14kW 的記錄）、高達 5μs 的短路能力（用于故障安全操作）以及用于新型、更緊湊電路拓撲的單片雙向開關，從而實現(xiàn)更輕、更小、更高效、更可靠的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

1高壓氮化鎵 (1200V)

氮化鎵 HEMT 具有獨特的優(yōu)勢，可以服務于商業(yè)上重要的寬電壓范圍，從 100V 到 1200V，并且相對于硅 IGBT、硅 CoolMOS 和碳化硅晶體管具有競爭優(yōu)勢。直到幾年前，1200V 似乎在商業(yè)上使用氮化鎵是不可行的。但在 2020 年初，低成本、高性能的 1200V 氮化鎵解決方案出現(xiàn)在人們視線中。Transphorm 展示了1200V氮化鎵，它使用在藍寶石（一種具有出色電絕緣性的材料）上沉積的材料構(gòu)建的橫向 HEMT，以消除漏極和襯底之間的擊穿，并阻斷 1200V 及更高的電壓。橫向 1200V 氮化鎵 HEMT 保留了橫向 HEMT 的所有優(yōu)點：高遷移率（降低存儲電荷）、大面積（提高熱導率）和低制造成本。用藍寶石代替硅可以保持低產(chǎn)品成本和高熱性能。在前道制造過程中，藍寶石上 III-N 緩沖層的厚度可以減少 60% 以上，從而降低外延成本，同時保持良好的晶體質(zhì)量和高電絕緣性，這不僅在 150 毫米基板上，而且在 200 毫米基板上也是如此。在后道工藝中，藍寶石可以減薄到 150-200 微米，以匹配硅的熱導率。藍寶石已經(jīng)是氮化鎵 LED 的首選襯底，擁有大量的專業(yè)知識和工業(yè)大批量生態(tài)系統(tǒng)。

在這項工作中，我們展示了采用藍寶石襯底上高電子遷移率晶體管（HEMT）制造的 1200 V GaN 開關的結(jié)果（圖 1）。使用封裝在 TO-247 封裝內(nèi)的 70 mΩ 藍寶石襯底 GaN 2 芯片常關型 GaN FET，我們獲得了 900:450V 降壓轉(zhuǎn)換器在 50 kHz 下大于 99% 的效率。該器件表現(xiàn)出出色的開關品質(zhì)因數(shù)，Ron?Qg = 0.9 Ω?nC，Ron?Qrr = 11 Ω?nC。這些結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的藍寶石襯底 GaN 技術可以成為 1200V 功率器件市場的極具競爭力的平臺。目前正在進行重復性和認證任務，以期盡快推出中高功率產(chǎn)品。

圖 1. 基于低成本、大直徑、絕緣藍寶石襯底的 1200V 氮化鎵 HEMT 級聯(lián)結(jié)構(gòu)

2高電流氮化鎵（170A）

如今，氮化鎵解決方案應用于功率介于 65W 和 3.2kW 之間的低功率和中功率應用，處理的電流僅為幾安培到幾十安培，芯片面積為幾百平方微米。然而，沒有任何物理障礙阻止氮化鎵解決方案處理數(shù)百安培的電流，并應用于 10kW 甚至 100kW 以上的高功率應用。在這項工作中，我們展示了高電流氮化鎵原型的新數(shù)據(jù)，其導通電阻為 10mOhm，額定直流電流超過 170A。該芯片面積為數(shù)十平方毫米，并封裝在傳統(tǒng)的 TO-247-3L 封裝中。

硬開關波形和升壓轉(zhuǎn)換效率如圖 2 所示。該器件的開關速度達到 50V/ns 和 4A/ns，從而實現(xiàn)高功率和高頻開關。在 50kHz、硬開關模式下工作的 240V:400V 升壓轉(zhuǎn)換器中，效率峰值在 4kW 時達到 99.3%，并平穩(wěn)地降至 14kW 的功率。可以看出，在 14kW 時，結(jié)溫僅為 120℃，表明還有更大的裕量可以實現(xiàn)更高的功率。如此出色性能的原因是快速的開關速度，它最大限度地減少了開關損耗；D 模式氮化鎵與低壓硅 MOSFET 級聯(lián)配置的低動態(tài) Ron（小于 10%）；以及電阻的低溫度系數(shù)（150℃ 和 25℃ 之間小于 1.8 倍，與 SiC Trench MOSFET 技術相似），這些共同促成了運行中的低傳導損耗。雖然本文展示的是 TO-247-3L 封裝，但本文提出的 10mOhm 芯片不僅可以組裝在帶有 Kelvin 源和更低漏感值的表面貼裝封裝中，還可以作為裸芯片組裝到工業(yè)或汽車模塊中。最近的研究表明，氮化鎵級聯(lián)器件的并聯(lián)已成功實現(xiàn)高達 500A 的電流。

圖2：單個 10 mOhm 氮化鎵芯片的開關波形和效率曲線，展示了創(chuàng)紀錄的 99.3% 高效率和 14 kW 輸出功率，且仍有提升空間，因為結(jié)溫僅為 120℃，遠低于額定值 175℃。

3短路能力（5μS）

在電機驅(qū)動應用中，氮化鎵（GaN）器件不僅要通過嚴格的 JEDEC 或 AEC-Q0101 認證，還必須能夠承受由過載、直通、固件錯誤、電流浪涌和/或外部故障條件引起的短路事件。2021 年，Transphorm 展示了一項獲得專利的 GaN 技術，在 50 毫歐器件上實現(xiàn)了高達 3 微秒的短路耐受時間（SCWT）。今年，我們帶來了重大改進，展示了一款 15 毫歐器件，其短路耐受時間延長至 5 微秒，能夠進行高功率操作（12 千瓦）。該器件采用 TO-247 封裝，額定電壓為 650 伏，額定直流電流為 145 安。其峰值效率達到 99.2%，最大輸出功率為 12 千瓦。在 400 伏的漏極偏置下，其短路耐受時間為 5 微秒（圖 3），并且通過了 1000 小時 175 攝氏度高溫反向偏置應力測試。這些數(shù)據(jù)表明了 GaN 的適應性，打破了其不具備短路能力的“神話”。作為參考，現(xiàn)代柵極驅(qū)動器的保護響應時間約為 1 微秒，確保有足夠的時間檢測故障并安全關閉系統(tǒng)，而不會導致器件損壞

圖 3. 獲得專利的氮化鎵技術，可實現(xiàn)高達 5 微秒的短路耐受時間，從而在電機驅(qū)動逆變器中實現(xiàn)故障安全運行。

4單片雙向開關

由于其橫向結(jié)構(gòu)，氮化鎵器件非常適合單片集成?？梢詫蓚€反串聯(lián)的晶體管單片集成在一起，形成所謂的“雙向開關”（圖 4）。雙向開關具有兩個由兩個相對的柵極控制的相對的源極，并且可以沿兩個方向承載電流，并在兩個極性上阻斷電壓。這種器件架構(gòu)在氮化鎵中以其簡單性而獨有，對于需要功率器件承受正負交流波瓣的交流前端來說，具有重要意義。

圖 4. 單片氮化鎵雙向開關，具有共漏極和共享漂移區(qū)，以實現(xiàn)更小的占位面積、更高的品質(zhì)因數(shù)和更少的零件數(shù)量。

氮化鎵雙向開關支持諸如隔離矩陣雙有源橋（圖 5 左）、非隔離 T 型中性點鉗位 (T-NPC，圖 5 右) 等拓撲結(jié)構(gòu)，以及更多拓撲結(jié)構(gòu)。這些拓撲結(jié)構(gòu)允許在單級中進行 AC/DC 或 DC/AC 轉(zhuǎn)換——無需體積龐大且昂貴的 DC-link 電容器——從而實現(xiàn)更輕、更小、更高效、更可靠的電源系統(tǒng)。應用非常廣泛，包括電源和電池充電器、太陽能逆變器和電機驅(qū)動器。

圖 5. 使用氮化鎵雙向開關 (BDS) 的拓撲結(jié)構(gòu)，包括隔離式矩陣雙有源橋和非隔離式 T 型中性點鉗位。這些拓撲結(jié)構(gòu)允許單級 AC/DC 轉(zhuǎn)換，具有雙向功能和更少的零件數(shù)量。由于缺少 DC-link 電容器，因此轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更輕、更小，并且由于轉(zhuǎn)換級數(shù)更少，效率更高、可靠性更高。

在這項工作中，我們展示了一種氮化鎵雙向技術，其中單片集成的 D 模式雙向氮化鎵 HEMT 與兩個低壓硅 MOSFET 以級聯(lián)配置連接，以實現(xiàn)常關操作。HEMT 的單片集成允許共享高壓漂移區(qū)，與兩個分立的氮化鎵開關相比，芯片尺寸減小了 40%。低壓硅 MOSFET 允許高閾值電壓 (4V)、高柵極裕量 (+20V)、高可靠性以及高抗噪聲和寄生導通能力。雙向級聯(lián)器件采用堆疊芯片技術集成，以最大限度地減少占位面積以及互連電阻和電感（圖 6）。該解決方案封裝在帶隔離焊片的單個 TO-247 封裝中。如圖 4 所示，D 模式氮化鎵的漂移區(qū)在晶體管的兩側(cè)之間共享，從而顯著提高了 Ron x Qg 和 Ron x Qoss 的品質(zhì)因數(shù)。導通電阻為 70 mΩ，該器件具有出色的雙向電流傳導和電壓阻斷能力，具有對稱的電流-電壓和電容-電壓特性。Ron?Qg 比連接在反串聯(lián)中的最先進的分立式碳化硅 MOSFET 低 80%，從而降低了開關損耗，降低了成本，減少了零件數(shù)量，并減小了占位面積。

圖 6. 氮化鎵雙向開關 (BDS) 的實現(xiàn)，使用 D 模式單片氮化鎵與低壓硅 FET 的級聯(lián)配置，以提供高閾值電壓、高柵極裕量、更高的可靠性以及抗噪聲和寄生導通能力。

雙向氮化鎵器件已在用于單級 AC/DC 前端的矩陣有源橋中進行了測試，實現(xiàn)了兩個 AC 極性下的電壓阻斷和成功的系統(tǒng)演示（圖 7）。

圖 7. 采用矩陣有源橋的單級 AC/DC 前端中氮化鎵雙向開關 (BDS) 的開關波形。正弦 3 相 AC 輸入，DC 輸出。

雖然氮化鎵已經(jīng)在許多低功率和中功率應用中投入生產(chǎn)和現(xiàn)場部署，但令人興奮的未來在于高功率機會，它將對經(jīng)濟、生態(tài)和社會產(chǎn)生更強大的影響。本文介紹的高壓和高電流氮化鎵、短路能力和單片雙向集成將在數(shù)據(jù)中心、人工智能、交通運輸?shù)阮I域發(fā)揮重要作用。

接下來，我們對有望挑戰(zhàn)SiC地位的垂直氮化鎵進行分析。

垂直氮化鎵，尚能飯否？

如大家所見在功率轉(zhuǎn)換領域，寬帶隙半導體正在迅速取代硅器件。大能隙（碳化硅為 3.23 eV，氮化鎵為 3.4 eV）和相應的大擊穿場使這些材料成為開發(fā)高效功率半導體器件的理想材料（材料對比見表 I）。

在功率半導體領域，目前采用了幾種器件結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。超結(jié)晶體管有助于在給定芯片尺寸的情況下最大限度地減少傳導損耗，因此是硅器件的可靠解決方案；碳化硅晶體管基于不同的概念（JFET、平面 MOSFET 或溝槽 MOSFET），目標電壓可達 2 kV 或更高。市面上銷售的氮化鎵晶體管基于橫向 HEMT（高電子遷移率晶體管）設計，由于使用了通過極化摻雜產(chǎn)生的二維電子氣體 (2DEG)，可確保高遷移率和低寄生。

硅、碳化硅和氮化鎵商用器件之間的比較（圖 2）表明，氮化鎵 HEMT 結(jié)構(gòu)的柵極電荷、反向恢復電荷和