10KV氮化镓器件全新技术方案

一种基于等离子体的简易边缘终端技术，成功制备出横向结构 10 千伏级氮化镓二极管。

在电力电子领域的一众半导体技术中，氮化镓（GaN）已取得显著成功。这种材料在需要承受数百伏电压、同时实现极低功耗的场景中，性能无可匹敌。凭借这些优势，氮化镓功率器件已在各类移动设备快充领域，确立了 “杀手级” 应用地位。

然而，在 1.7 千伏及以上高压场景 —— 这是电网、风力涡轮机、电力传动、高压电源等应用的关键区间 —— 氮化镓尚未实现商业化落地。目前商用高压器件包括：硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）、晶闸管（最高 6.5 千伏），以及碳化硅（SiC）MOSFET、结势垒肖特基（JBS）二极管（最高 10 千伏）。实验室中，碳化硅晶体管与二极管甚至已实现 30 千伏耐压能力。

但硅基与碳化硅器件存在明显短板。高压硅基 IGBT 与晶闸管为双极型器件，同时存在多子与少子导电，开关频率低、损耗大。而单极型碳化硅 MOSFET 与 JBS 二极管虽具备同等高压等级、可实现更高开关频率，但其商用产品需依赖昂贵碳化硅衬底、生长厚外延层，导致芯片尺寸大、良率低，单片成本居高不下。

氮化镓高压化：潜力巨大

提升氮化镓功率器件耐压能力，是极具潜力的解决方案。氮化镓兼具高效率、耐高温、体积小、散热需求低、稳定性强等优势：相比硅基器件，其禁带宽度更宽，同等厚度下耐压更高，或同等耐压下所需材料更少；可形成高迁移率二维电子气（2DEG），开关速度远超硅基、碳化硅器件；还可复用成熟氮化镓 LED 产线，兼顾性能提升、成本降低与量产可行性。

亚利桑那州立大学团队正研发无损伤、简易横向结构工艺，释放氮化镓在高压场景的潜力。

高压氮化镓：横向 vs 纵向

商用硅基、碳化硅高压器件普遍采用纵向结构，优势为电流 / 耐压能力强、芯片尺寸小、抗表面缺陷、散热好。

而商用氮化镓功率器件以横向高电子迁移率晶体管（HEMT）为主，适配 900 伏以下场景，具备结电容低、开关频率高、损耗小的特点；还可将功率管、驱动、辅助电路单片集成，大幅缩小电力电子体积、抑制栅振、误触发等寄生效应。

氮化镓领域也在研发纵向功率器件，已实现 2–5 千伏耐压晶体管与 PIN 二极管。但横向 HEMT 基高压氮化镓器件仍极具吸引力：可生长于蓝宝石、硅基等低成本衬底，10 千伏耐压所需外延层厚度仅为纵向器件的一小部分；目前已成功制备含超结、多沟道、降低表面电场（RESURF）结构的 10 千伏级原型二极管与晶体管。

高压器件核心挑战：电场分布不均

设计制备 10 千伏级器件，电场分布不均是最大难题，横向器件中尤为突出：电场易在器件边缘集中，导致边缘提前击穿。

边缘终端技术是 10 千伏级器件的必备设计，作用是平滑电场分布。但现有 10 千伏级氮化镓器件，在外延结构、边缘终端、钝化设计上均极为复杂，需额外刻蚀、介质沉积、表面处理工艺，良率低、可靠性差、成本高。

简化边缘终端：等离子体工艺方案

亚利桑那州立大学提出简易等离子体边缘终端技术，无需刻蚀、钝化工艺，适配商用氮化镓 HEMT 平台。

核心优势：

• 无刻蚀：避免表面损伤，无需后续修复钝化；

• 无需精密刻蚀：规避薄膜厚度、均匀性、刻蚀速率波动问题；

• 天然钝化：无刻蚀带来低表面损伤，自带钝化效果，无需额外处理。

器件结构：厚氮化镓缓冲层→非掺杂氮化镓层→氮化铝隔离层→铝镓氮层→非掺杂氮化镓隔离层→P 型氮化镓层。

等离子体边缘终端原理：通过氢等离子体工艺调控顶层 P 型氮化镓导电性，形成 “处理区 + 非处理区” 阵列。利用传统感应耦合等离子体（ICP）刻蚀设备产生氢等离子体，选择性注入氢原子至 P 型氮化镓层；氢原子与镁受主结合，形成电荷中性镁 - 氢复合物，使处理区 P 型氮化镓呈高阻态。

仿真验证：电场优化效果

通过 TCAD 仿真验证方案可行性，评估边缘终端对电场峰值的抑制作用：

• 无终端器件：阳极边缘存在单一强电场峰值，易击穿；

• 有终端器件：保留阳极附近部分导电 P 型氮化镓，电场峰值显著降低、分布均匀；

• 关键：终端几何结构优化，是实现超高耐压的核心。

器件制备与性能测试

制备圆形阵列结构器件：P 型氮化镓区域外采用氢等离子体处理（高阻），内部不处理（导电），导电性差异可通过扫描电镜（SEM）清晰观测。

器件含 T1、T2、T3 三个阵列区，阳极→阴极长度递增；阵列关键参数：圆间距 ST、横向间距 DT、圆直径 RT（T1→T3：ST/DT 0.5μm→2μm，RT 0.75μm 恒定）。制备无终端参考器件作对照。

正向性能

• 开启电压：1.1V；

• 理想因子：约 1.5；

• 开关比：10¹⁰；

• 导通电阻：97Ω・mm；

• 终端影响：电流衰减约 15%（未处理 P 型氮化镓耗尽 2DEG 所致）；

• 稳定性：导通电阻随阳极 - 阴极长度线性增长，正反向扫描稳定性佳；

• 电容 / 频率：0V 电容 4.2pF・mm⁻¹，截止频率 0.8GHz→8.4GHz（长度 120μm→10μm）。

反向耐压（核心突破）

• 单区（T1）终端：DT 越小（圆密度越高），耐压越高；DT 过大时，耐压接近无终端器件；

• 终端长度：LT 越长，电场聚集越强，耐压越低；

• 耐压提升：终端器件平均耐压提升约 3kV；120μm 长度器件，终端耐压 9.5kV，无终端仅 5.3kV；

• 长度影响：阳极长度影响小，长度越长，终端耐压提升越显著。

性能对标

与主流横向 / 纵向氮化镓、氧化镓（Ga₂O₃）肖特基二极管对比：

• 巴利加优值（Baliga FOM）：0.79GW・cm⁻²，与 10 千伏级氮化镓、超宽禁带氧化镓器件相当；

• 核心价值：简易结构 + 低成本工艺，实现顶级性能；技术可迁移至其他等离子体 / 离子注入工艺。

总结

该方案为低成本 10 千伏级氮化镓功率器件提供全新路径。后续将开展动态开关性能、长期高压稳定性、雪崩能力、封装测试，推动技术成熟。