氮化鎵功率器件與硅基功率器件的特性不同本質(zhì)是外延結(jié)構(gòu)的不同，本文通過深入對比氮化鎵HEMT與硅基MOS管的外延結(jié)構(gòu)，再對增強型和耗盡型的氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)進行對比，總結(jié)結(jié)構(gòu)不同決定的部分特性。此外，對氮化鎵功率器件的外延工藝以及功率器件的工藝進行描述，加深對氮化鎵功率器件的工藝技術(shù)理解。在理解氮化鎵功率器件結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，對不同半導體材料的特性、不同襯底材料的氮化鎵HEMT進行對比說明。

一、器件結(jié)構(gòu)與制造工藝

（一）器件結(jié)構(gòu)對比

GaN HEMT是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，目前市面上還未出現(xiàn)GaN的MOSFET，主要是因為同質(zhì)GaN成本太高，一般采用Si或者SiC作為異質(zhì)襯底，異質(zhì)襯底就需要在襯底上生長一層緩沖層（AlN），而緩沖層是絕緣的，因此目前的GaN器件還沒有MOSFET結(jié)構(gòu)。

1、氮化鎵HEMT與硅LDMOS的結(jié)構(gòu)對比

圖 1 GaN HEMT（增強型） VS 硅LDMOS結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)看，氮化鎵功率器件和硅LDMOS都是橫向結(jié)構(gòu)，即他們的源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）都在芯片的上表面。同時為了讓電場分布更加均勻，他們都使用了場板的設(shè)計。不同之處在于氮化鎵是化合物半導體外延，通過異質(zhì)結(jié)形成高電子遷移率的二維電子氣溝道（2DEG）。而硅LDMOS是在硅外延層上進行摻雜形成P-N結(jié)。

2、氮化鎵功率器件的結(jié)構(gòu)

氮化鎵功率器件的外延結(jié)構(gòu)可分為D-mode（Depletion-mode/耗盡型）和E-mode（Enhance-mode/增強型）。因為材料的極化特性，耗盡型是GaN功率器件的自然狀態(tài)，增強型只能通過特殊工藝將其閾值電壓從負值變成正值來實現(xiàn)。

圖 2 E-Mode（增強型） GaN HEMT VS D-Mode（耗盡型） GaN HEMT

目前主要用來制備增強型器件的方案包括：p型柵、凹槽柵、F處理。如上圖所示，P-GaN柵結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)增強型GaN HEMT的方案之一。本質(zhì)是通過降低柵下2DEG的電子密度等，實現(xiàn)對柵壓的控制，將閾值電壓提高到正。

（1）D-mode/耗盡型結(jié)構(gòu)

D-mode為常開型器件，在通常狀態(tài)下（柵源極電壓VGS=0），漏極和源極之間已存在2DEG，器件呈導通狀態(tài)；當柵源極電壓VGS<0時，漏、源極之間的2DEG斷開，器件截止。在電力電子應(yīng)用中，常開的器件在使用上不便且有安全方面的問題，因此D-mode氮化鎵HEMT器件在應(yīng)用中，經(jīng)常級聯(lián)/串聯(lián)低壓硅MOS一起使用，如下圖所示。

圖 3 共源共柵GaN HEMT

D-mode氮化鎵功率器件和低壓MOSFET串聯(lián)，共用柵極和源極，形成常關(guān)器件。

（2）E-mode/增強型

E-mode（Enhance-mode/增強型）為常關(guān)型，使用方式類似傳統(tǒng)硅MOS，器件結(jié)構(gòu)簡單，適合高頻化應(yīng)用，增強型器件不需要負電壓供電，實際應(yīng)用中的氮化鎵功率器件都需要是常關(guān)型的器件。

目前主流的增強型器件使用的P-GaN的工藝結(jié)構(gòu)，這種工藝結(jié)構(gòu)帶來兩類技術(shù)路線，對應(yīng)兩種商業(yè)模式。一類是以松下和英飛凌為代表的電流控制型。所謂電流控制，指的是門級驅(qū)動使用電流，而不是電壓來控制。另外一類則是和硅MOS管以及碳化硅MOS管一樣，使用門級電壓驅(qū)動。

表 1 主流增強型P-GaN工藝結(jié)構(gòu)的兩種技術(shù)路線

圖 4 電壓驅(qū)動 VS 電流驅(qū)動曲線

3、基本特性總結(jié)

因為結(jié)構(gòu)的不同，氮化鎵功率器件和硅基功率器件有區(qū)別于硅基器件的特性。

（1）氮化鎵功率器件標準：650V

氮化鎵功率器件的技術(shù)路線一般是650V，因為對于很多電源領(lǐng)域的應(yīng)用，需要接入220V市電，母線電容上的電壓在輸入交流電壓整流以后得到大約400V直流電壓，再加上電壓尖峰和部分拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用中副邊反射回來的電壓，650V就成了一個標準的電壓要求。

（2）沒有雪崩擊穿

沒有雪崩擊穿，一旦擊穿，就是永久性的，類似于電容里面的介質(zhì)擊穿。對于650V的器件而言，如果是硅MOS管，一般實際擊穿電壓大約在750V左右（設(shè)計裕量10%），而氮化鎵器件需要提供更高的電壓設(shè)計裕量，650V器件至少需要900V以上的擊穿電壓（設(shè)計裕量>10%）。

（3）沒有p型氮化鎵管

硅基有NMOS（電子載流子）和PMOS（空穴載流子），但目前還沒有p型GaN HEMT，因此模擬/數(shù)字IC的設(shè)計與硅不同。沒有p型氮化鎵管的原因主要是：首先，離子注入和鎂離子低溫退火在GaN上難以實現(xiàn)；其次，GaN的空穴遷移率只有30cm2/Vs，遠低于2000cm2/Vs的電子遷移率。

（4）門級電壓7V

氮化鎵的工藝決定，氮化鎵功率器件的最大門級電壓被限制在了7V，且于現(xiàn)有的硅驅(qū)動IC不兼容。

（二）器件工藝技術(shù)

氮化鎵功率器件和硅基芯片一樣，制造環(huán)節(jié)主要包括設(shè)計和外延片生長、芯片制造和封裝測試。

表 2 氮化鎵功率器件一般制造環(huán)節(jié)

1、設(shè)計階段

氮化鎵一般通過TCAD（計算機輔助設(shè)計技術(shù)）仿真，對結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行模擬仿真。

2、外延片制造流程

氮化鎵外延片可在硅襯底、碳化硅襯底或藍寶石襯底上進行生長，從成本和大批量生產(chǎn)考慮，外延的每一層的沉積一般采用MOCVD（金屬氧化物化學氣相沉積）。

圖 5 氮化鎵外延片制造流程

3、器件制造流程

下圖是藍寶石襯底耗盡型氮化鎵HEMT器件制造的簡化流程，硅基襯底的氮化鎵HEMT器件工藝流程類似。

第一步是第一張光罩，是做平臺型的隔離蝕刻；第二步，第二張光罩定義了源極和漏極；第三步是沉積源極和漏極的金屬；第四步是玻璃和退火，形成源極和漏極金屬；第五步，用第三張光罩來定義門極；第六步是做門極金屬沉積；第七步是金屬剝離，以形成門極金屬；第八步是沉積氮化硅實現(xiàn)鈍化和保護；第九步是使用第四張光罩來定義源極和漏極的接觸；第十步是利用第五張光罩來定義場板；第十一步是金屬剝離來形成場板，第十二部是沉積第二層氮化硅鈍化層。

圖 6 藍寶石襯底的D-mode 氮化鎵HEMT工藝制造流程

4、CP測試

CP測試主要是通過測試室溫和高溫兩種環(huán)境下的多種參數(shù)，來識別出晶圓上失效的芯片顆粒，并進行染色標注，不再進行后續(xù)的封裝。

圖 7 CP測試（紅色為失效芯片位置）

5、封裝

圖 8 簡化的封裝步驟

6、FT/測試

FT（Final test）是發(fā)貨前的最后一道測試，一般會在室溫和高溫兩種環(huán)境下對器件進行測試，測試的參數(shù)主要包括Idss、Vth、Rdson以及BV（擊穿電壓）等。

二、器件的材料對比

（一）半導體材料特性對比

禁帶寬度在2.2eV以上的半導體稱為寬禁帶半導體（第三代半導體）。

表 4 半導體材料的特性對比

禁帶寬度：硅的禁帶寬度為1.1eV，低于氮化鎵和碳化硅幾乎三倍。因此，氮化鎵和碳化硅可以輕松支持更高電壓的電路，而不能像硅一樣支持較低電壓的電路。

擊穿電場：氮化鎵和碳化硅的擊穿電場是硅基的10倍以上，高擊穿場使氮化鎵和碳化硅能夠輕松應(yīng)對更高的電壓。

電子遷移率：氮化鎵的電子遷移率比碳化硅要高三倍，氮化鎵HEMT更適合高頻應(yīng)用。

熱導率：氮化鎵的熱導率為1.3 W/cmK(瓦特/厘米開爾文)，還不及硅的，而碳化硅的熱導率最優(yōu)，在傳遞熱負荷方面優(yōu)于氮化鎵和硅三倍。這種散熱性能使碳化硅在高功率和高溫應(yīng)用中具備極大的優(yōu)勢。

（二）襯底材料的Ga HEMT對比

表 5 不同襯底材料的GaN HEMT參數(shù)對比

因為氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)是外延結(jié)構(gòu)，襯底可使用不同的材料。

附件：器件結(jié)構(gòu)簡介

為了更方便理解正文提及的器件結(jié)構(gòu)概念，就常見的各類器件結(jié)構(gòu)的縮寫進行簡單描述。

MOSFET：金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管，是一種電壓控制器件。MOSFET有兩種類型，“p溝道”和“n溝道”，這兩種類型都可以處于增強或耗盡模式，因此共有四種不同類型的MOSFET。

BJT（Bipolar Junction Transistor）：雙極性結(jié)型晶體管，俗稱三極管，一種電流驅(qū)動器件，有PNP和NPN兩種類型，廣泛用作放大器、振蕩器或開關(guān)等。

HEMT（High Electron Mobility Transistors）：高電子遷移率晶體管。

pHEMT：偽形態(tài)高電子遷移率晶體管，“p”代表偽同態(tài)。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）：絕緣柵雙極型晶體管，IGBT是由MOS和PN兩個基本單元構(gòu)成。

HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）：異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。

Triacs：三端雙向可控硅。

Thyristor：半導體閘流管。

LDMOS（Lateral Diffused）：橫向擴散金屬氧化物半導體，是高頻大功率器件。LDMOS初期主要面向移動電話基站的RF功率放大器。

CMOS（complementary MOSFET）：互補型MOSFET，由NMOS和PMOS組成，是集成電路的基礎(chǔ)單元

來源：半導體材料與工藝