已往两年中，氮化镓天然发展马上兼职学生，但似乎也曾际遇了瓶颈。与此同期，不少垂直氮化镓的初创企业倒闭或者卖盘，这激发宇宙对垂直氮化镓将来的担忧。为此，在本文中，咱们先对氮化镓将来的发展进行分析，并筹商了垂直氮化镓器件开采的最新进展以及关系的可靠性挑战。
氮化镓的将来：高电压、高电流和双向性
氮化镓功率器件正在浸透并提高包括快速充电器和电源在内的多种蹧跶类愚弄的末端。内行商场对此反应激烈，氮化镓的愚弄在手机和札记本电脑等便携缔造（功率范围在65到250W之间）的快速充电器以及高达3.2 kW的电源中繁茂发展。
跟着氮化镓启动在低功率愚弄中部署并评释其在现场的可靠性，咱们当今看到了氮化镓浸透到高功率愚弄的契机，这将对经济、生态和社会产生更践诺性的影响。坚硬的机遇存在于能量集聚、汽车、数据中心和东说念主工智能规模。为了已矣这一方针，必须对迫切元素进行完善。为了提供高功率，氮化镓必须处理高电压和高电流，不仅要高效，还要安全、可靠且低本钱。氮化镓领有整个凯旋的特色。
在本文中，咱们将先容突破性的赋能时候：1200V额定值、大外延氮化镓器件（电流额定值高达170A，单芯片功率高达14kW的记录）、高达5μs的短路能力（用于故障安全操作）以及用于新式、更紧凑电路拓扑的单片双向开关，从而已矣更轻、更小、更高效、更可靠的调度系统。
1. 高压氮化镓(1200V)
氮化镓HEMT具有稀薄的上风，不错干事于贸易上迫切的宽电压范围，从100V到1200V，况且相对于硅IGBT、硅CoolMOS和碳化硅晶体管具有竞争上风。直到几年前，1200V似乎在贸易上使用氮化镓是弗成行的。但在2020岁首，低本钱、高性能的1200V氮化镓治理决策出当今东说念主们视野中。
Transphorm展示了1200V氮化镓，它使用在蓝坚持（一种具有出色电绝缘性的材料）上千里积的材料构建的横向HEMT，以摈弃漏极和衬底之间的击穿，并阻断1200V及更高的电压。横向1200V氮化镓HEMT保留了横向HEMT的整个优点：高移动率（镌汰存储电荷）、大面积（提高热导率）和低制形本钱。用蓝坚持代替硅不错保捏低家具本钱和高热性能。在前说念制造历程中，蓝坚持上III-N缓冲层的厚度不错减少60%以上，从而镌汰外延本钱，同期保捏风雅的晶体质料和高电绝缘性，这不仅在150毫米基板上，而且在200毫米基板上亦然如斯。在后说念工艺中，蓝坚持不错减薄到150-200微米，以匹配硅的热导率。蓝坚持也曾是氮化镓LED的首选衬底，领有大宗的专科常识和工业普遍量生态系统。
在这项责任中，咱们展示了收受蓝坚持衬底上高电子移动率晶体管（HEMT）制造的1200 V GaN开关的末端（图1）。使用封装在TO-247封装内的70 mΩ蓝坚持衬底GaN 2芯片常关型GaN FET，咱们取得了900:450V降压调度器在50 kHz下大于99%的末端。该器件发达出出色的开关品性因数，Ron∙Qg=0.9Ω∙nC，Ron∙Qrr=11Ω∙nC。这些末端标明，经过优化的蓝坚持衬底GaN时候不错成为1200V功率器件商场的极具竞争力的平台。目下正在进行访佛性和认证任务，以期尽快推出中高功率家具。
图1.基于低本钱、大直径、绝缘蓝坚持衬底的1200V氮化镓HEMT级纠合构
2. 高电流氮化镓（170A）
如今，氮化镓治理决策愚弄于功率介于65W和3.2kW之间的低功率和中功率愚弄，处理的电流仅为几安培到几十安培，芯单方面积为几百宽阔微米。但是，莫得任何物理费劲阻挠氮化镓治理决策处理数百安培的电流，并愚弄于10kW致使100kW以上的高功率愚弄。在这项责任中，咱们展示了高电流氮化镓原型的新数据，其导通电阻为10mOhm，额定直流电流超越170A。该芯单方面积为数十宽阔毫米，并封装在传统的TO-247-3L封装中。
硬开关波形和升压调度末端如图2所示。该器件的开关速率达到50V/ns和4A/ns，从而已矣高功率和高频开关。在50kHz、硬开关模式下责任的240V:400V升压调度器中，末端峰值在4kW时达到99.3%，并自如地降至14kW的功率。不错看出，在14kW时，结温仅为120℃，标明还有更大的裕量不错已矣更高的功率。如斯出色性能的原因是快速的开关速率，它最大限制地减少了开关损耗；D模式氮化镓与低压硅MOSFET级联设置的低动态Ron（小于10%）；以及电阻的低温度所有（150℃和25℃之间小于1.8倍，与SiC Trench MOSFET时候一样），这些共同促成了运行中的低传导损耗。天然本文展示的是TO-247-3L封装，但本文建议的10mOhm芯片不仅不错拼装在带有Kelvin源和更低漏感值的名义贴装封装中，还不错四肢裸芯片拼装到工业或汽车模块中。最近的计划标明，氮化镓级联器件的并联已凯旋已矣高达500A的电流。
图2：单个10 mOhm氮化镓芯片的开关波形和末端弧线，展示了创记载的99.3%高末端和14 kW输出功率，且仍有进步空间，因为结温仅为120℃，远低于额定值175℃。
3. 短路能力（5μS）
在电机驱动愚弄中，氮化镓（GaN）器件不仅要通过严格的JEDEC或AEC-Q0101认证，还必须省略承受由过载、纵贯、固件失实、电流浪涌和/或外部故障条目引起的短路事件。2021年，Transphorm展示了一项取得专利的GaN时候，在50毫欧器件上已矣了高达3微秒的短路耐受时辰（SCWT）。本年，咱们带来了要紧革新，展示了一款15毫欧器件，其短路耐受时辰延迟至5微秒，省略进行高功率操作（12千瓦）。该器件收受TO-247封装，额定电压为650伏，额定直流电流为145安。其峰值末端达到99.2%，最大输出功率为12千瓦。在400伏的漏极偏置下，其短路耐受时辰为5微秒（图3），况且通过了1000小时175摄氏度高温反向偏置应力测试。这些数据标明了GaN的妥贴性，冲突了其不具备短路能力的“外传”。四肢参考，当代栅极驱动器的保护反馈时辰约为1微秒，确保有实足的时辰检测故障并安全关闭系统，而不会导致器件损坏
图3.取得专利的氮化镓时候，可已矣高达5微秒的短路耐受时辰，从而在电机驱动逆变器中已矣故障安全运行。
4. 单片双向开关
由于其横向结构，氮化镓器件尽头相宜单片集成。不错将两个反串联的晶体管单片集成在整个，形成所谓的“双向开关”（图4）。双向开关具有两个由两个相对的栅荒谬正的相对的源极，况且不错沿两个标的承载电流，并在两个极性上阻断电压。这种器件架构在氮化镓中以其毛糙性而独到，对于需邀功率器件承受正负相通波瓣的相通前端来说，具有迫切敬爱敬爱。
图4.单片氮化镓双向开关，具有共漏极和分享漂移区，以已矣更小的占位面积、更高的品性因数和更少的零件数目。
氮化镓双向开关撑捏诸如装璜矩阵双有源桥（图5左）、非装璜T型中性点钳位(T-NPC，图5右)等拓扑结构，以及更多拓扑结构。这些拓扑结构允许在单级中进行AC/DC或DC/AC调度——无需体积繁密且同意的DC-link电容器——从而已矣更轻、更小、更高效、更可靠的电源系统。愚弄尽头粗俗，包括电源和电板充电器、太阳能逆变器和电机驱动器。
图5.使用氮化镓双向开关(BDS)的拓扑结构，包括装璜式矩阵双有源桥和非装璜式T型中性点钳位。这些拓扑结构允许单级AC/DC调度，具有双向功能和更少的零件数目。由于艰辛DC-link电容器，因此调度系统更轻、更小，况且由于调度级数更少，末端更高、可靠性更高。
在这项责任中，咱们展示了一种氮化镓双向时候，其中单片集成的D模式双向氮化镓HEMT与两个低压硅MOSFET以级联设置贯穿，以已矣常关操作。HEMT的单片集成允许分享高压漂移区，与两个分立的氮化镓开关比较，芯片尺寸减小了40%。低压硅MOSFET允许高阈值电压(4V)、高栅极裕量(+20V)、高可靠性以及高抗噪声和寄生导通能力。双向级联器件收受堆叠芯移时候集成，以最大限制地减少占位面积以及互连电阻和电感（图6）。该治理决策封装在带装璜焊片的单个TO-247封装中。如图4所示，D模式氮化镓的漂移区在晶体管的两侧之间分享，从而显着提高了Ron x Qg和Ron x Qoss的品性因数。导通电阻为70 mΩ，该器件具有出色的双向电流传导和电压阻断能力，具有对称的电流-电压和电容-电压特色。Ron∙Qg比贯穿在反串联中的启航点进的分立式碳化硅MOSFET低80%，从而镌汰了开关损耗，镌汰了本钱，减少了零件数目，并减小了占位面积。
图6.氮化镓双向开关(BDS)的已矣，使用D模式单片氮化镓与低压硅FET的级联设置，以提供高阈值电压、高栅极裕量、更高的可靠性以及抗噪声和寄生导通能力。
双向氮化镓器件已在用于单级AC/DC前端的矩阵有源桥中进行了测试，已矣了两个AC极性下的电压阻断和凯旋的系统演示（图7）。
图7.收受矩阵有源桥的单级AC/DC前端中氮化镓双向开关(BDS)的开关波形。正弦3相AC输入，DC输出。
天然氮化镓也曾在好多低功率和中功率愚弄中插足出产和现场部署，但令东说念主兴奋的将来在于高功率契机，它将对经济、生态和社会产生更坚硬的影响。本文先容的高压和高电流氮化镓、短路能力和单片双向集成将在数据中心、东说念主工智能、交通运载等规模施展迫切作用。
接下来，咱们对有望挑战SiC地位的垂直氮化镓氮化镓进行分析。
垂直氮化镓，尚能饭否？
如宇宙所见在功率调度规模，宽带隙半导体正在马上取代硅器件。大能隙（碳化硅为3.23 eV，氮化镓为3.4 eV）和相应的大击穿场使这些材料成为开采高效功率半导体器件的理念念材料（材料对比见表I）。
在功率半导体规模，目下收受了几种器件结构，如图1所示。超结晶体管有助于在给定芯片尺寸的情况下最大限制地减少传导损耗，因此是硅器件的可靠治理决策；碳化硅晶体管基于不同的办法（JFET、平面MOSFET或沟槽MOSFET），方针电压可达2 kV或更高。市面上销售的氮化镓晶体管基于横向HEMT（高电子移动率晶体管）联想，由于使用了通过极化掺杂产生的二维电子气体(2DEG)，可确保高移动率和低寄生。
硅、碳化硅和氮化镓商用器件之间的比较（图2）标明，氮化镓HEMT结构的栅极电荷、反向收复电荷和∙乘积王人要低得多，从而大大镌汰了功率调度器中的电阻损耗和开关损耗。最近，氮化镓规模的翻新来自垂直器件结构的开采，以进一步提高功率密度和电流密度。
接下来，咱们探讨了具有垂直结构的功率GaN器件在运行和可靠性方面所濒临的挑战。咱们先容了在咱们实验方式中取得的最新原始数据：在腹地和外来衬底上孕育的特色；硅基氮化镓外延中雪崩能力的评释；阈值电压不安逸性的物理根源；导致器件击穿的历程以及可能的革新战略。
1. 可靠性挑战
A.优化漂移区以提高性能/可靠性
垂直氮化镓器件的性能在很猛进度上取决于漂移区的特色。镌汰不测杂质浓度故意于提高移动率。对于高残余碳([]~1017−3)，已索要出低至202/()的移动率，而对于更高质料的材料，则有报说念称其移动率值约为9602/()，可与碳化硅的移动率相比好意思。漂移区的残余电导率也会甘休为小心过大走电流而施加到堆栈上的最大电压。为了计划这个问题，咱们在原生氮化镓衬底上孕育了厚度为10µm的漂移层（在pn结中，图3），掺杂水平约为8∙1015−3；这种结构的击穿电压可达1.2 kV以上（图4），即与碳化硅器件的电压范围兼容。
咱们刺目到，与垂直GaN-on-GaN（<104−2）比较，在低本钱的国际衬底上孕育会诱发更大的位错密度108−2。这可能会导致更高的走电流（见图4中蓝坚持衬底上的数据）：在电压低于1200 V的外来衬底上运行是可行的。值得刺目标是，咱们最近在硅基氮化镓伪垂直pn二极管中演示了近千伏的雪崩能力（图5），这是可靠运行的必要特色（存在于硅和碳化硅器件中）。
B、移除衬底和垂直膜办法
不雅察图1中的主要硅和碳化硅器件结构，不错了解到对于氮化镓垂直器件来说，垂直电流亦然一个必要条目，以尽量减少寄收效应和电流拥堵效应。如若使用的是腹地衬底，可通过在晶片底部平直千里积金属来已矣。对于外来衬底，可通过在晶体管区域下方局部移除衬底来已矣。典型的工艺是蚀刻（用于硅衬底）或激光剥离（用于蓝坚持衬底）。图6自满了由此产生的结构以及器件图片和ID-VD弧线；为确保高导电性，使用了钛/铝后面触点，并用铜金属化加固。在VD=1V和VG=20V条目下索要时，0.52宽阔毫米晶体管的最好RonA测量值为5.2 mOhmcm2。
C、电荷拿获表象和不安逸性
碳化硅器件在正栅极应力作用下可能会出现权贵的阈值电压偏移（0.5V-1 V）。典型的历程包括（图7a的鸿沟/界面态的电子拿获图7b）冲击电离引起的空穴拿获。
为了计划氮化镓垂直MOS结构中阈值不安逸性的物理根源，咱们瞄准垂直MOS电容器（图8）和MOSFET（图9）进行了粗俗分析，并研讨了两种不同的电介质（Al2O3和SiO2）。
对MOS电容器（Al2O3电介质）进行的脉冲电容-电压（C-V）分析标明，存在正（PBTI）和负（NBTI）阈值不安逸性（图10），C-V弧线中存在特征性“驼峰”。通过快速CV测量对界面陷坑密度进行了实验预想，末端标明以EC-0.6 eV为中心存在一个深电平峰（图11）。得到的陷坑区别被输入到TCAD模拟中（图12），末端与实验数据尽头吻合。C-V弧线中的驼峰是由于费米级在电荷区别峰值对应的能量处被钉住。
为了详情Al2O3千里积的最好条目，咱们进行了进一步的实验。末端（图13）标明，与等离子体增强ALD（PEALD）比较，热ALD（ThALD）取得的CV滞后较低。但是，由于ThALD的谨慎性可能有限，搀杂（ThALD/PEALD）堆栈被以为是最有但愿用于Al2O3垂直FET的千里积工艺。
对于MOSFET（使用二氧化硅电介质）中的电荷拿获，发现第一代器件在正栅极应力的作用下，阈值电压会出现赫然的正移（图14）。
研讨到沟说念电子向氧化硅陷坑态的隧穿，不错建议一个数学模子来解释能源学。通过研讨隧穿概率（图15中的公式(i)）和预备陷波电荷积分（图15中的公式(ii)），咱们省略准确地再现实验数据，并与图15插图中的模子保捏一致。咱们还进行了TCAD模拟，以计划鸿沟（BT）和界面（IT）陷坑的作用。对陷坑区别进行了校准，同期研讨了带隙上半部分的供体和EC隔邻褊狭区别的受体。
末端标明，栅极电压越高，电子从沟说念到BT的隧穿概率越高，阈值电压也随之变化（图16）。新一代器件（图17，器件B）自满电子拿获大大减少。从器件A到器件B的要紧革新是通过改动SiO2千里积工艺已矣的，从785℃的低压CVD（LPCVD）和800℃的PDA，到880℃的LPCVD和900℃的PDA。
D.失效历程
一系列栅极和漏极阶跃应力实验评估了氮化镓垂直器件的可靠性。在栅极阶跃应力时代，在具有70 nm SiO2栅极电介质的器件上，发现栅极电流在VG=45 V时不错忽略不计（图18(a)）；在更高的电压水平上，载流子通过氧化物注入导致走电流增多，直到在VG=60 V时失效。在碳化硅器件上进行的类似实验标明，载流子通过Fowler-Nordheim贞洁从半导体注入栅极的作用很大；透露在较高的栅极电压下可能会导致电子在氧化物中拿获，从而使阈值电压发生正向出动（见图18(b)，并与之进行比较，发现碳化硅器件的失效电压与其类似）。不雅察到的失效历程归因于栅极绝缘体的击穿；在垂直FET中，由于电场的拥堵，沟槽角可能是故意的失效点（图18(c)）。
此外，在栅极接地、漏极电压较高的漏极应力情况下，氧化物中的电场可能接近电介质的击穿场强。图19（a）自满了模拟末端（VG=0 V，VD=100 V），标明电场超越6 MV/cm。与碳化硅器件的比较标明，经管沟槽两侧和底部的电场是确保高离态可靠性的关键要害。东说念主们建议了各式治理决策，包括底部厚氧化物、双沟槽结构、双p基底结构和底部保护p阱。此类治理决策也正在对氮化镓垂直场效应晶体管进行初步探索（即使氮化镓的区域遴荐性p型掺杂不如碳化硅锻练）：图19(b)自满了一个例子，与对碳化硅所作念的类似，沟槽底部（标识为“p-阱”）摒弃了一个p型屏蔽，以权贵镌汰关态条目下电介质上的场强（与图19(a)比较）。
一言以蔽之，氮化镓垂直器件是下一代电力电子器件的绝佳治理决策。原生衬底可确保>1.2 kV责任电压下的最低走电流，而蓝坚持和硅等外来衬底则可在衬底移除的情况下用于较低电压责任。为了取得低本钱的氮化镓垂直时候，咱们建议了垂直膜晶体管的办法。通过外延和工艺优化，达到了接近kV的击穿电压，并在硅衬底上展示了雪崩能力。
关键的电荷拿获历程已被识别和建模；针对Al2O3和SiO2电介质兼职学生，建议了将阈值电压不安逸性降至最低的治理决策。针对栅极和漏极应力，详情并描画了垂直氮化镓器件的主要失效历程。