氮化镓功率器件迎来产业升级

核心要点

1. 氮化镓器件凭借优异耐压性能，市场渗透率持续攀升；

2. 芯粒（Chiplet）等新型架构可实现更快开关速率，同时降低功率损耗；

3. 氮化镓率先落地低压消费电子领域，工业级高压应用仍需大量技术攻关。

随着电能逐步替代化石能源渗透各行各业，系统设计人员亟需可耐受更高输入电压、扛住短路与过电压尖峰冲击的功率开关与变流器。

氮化镓（GaN）等宽禁带半导体凭借更高击穿场强与导热系数，可满足高功率密度产品设计需求，备受器件研发人员青睐，但该类器件在各类故障工况下的耐受可靠性仍缺少充足实测验证。

氮化镓功率器件的核心元器件为高电子迁移率晶体管（HEMT），器件依托氮化镓 / 铝镓氮异质结结构实现。两种材料界面处产生晶格应变，致使能带结构出现能级突变，进而生成二维电子气（2DEG）。二维电子气层内载流子迁移率可达 1500 平方厘米 /(伏・秒) 以上，而层外载流子迁移率极低；零外加偏压条件下，二维电子气即可形成导电通路。

因此，基础构型的高电子迁移率晶体管属于常开型（耗尽型）器件。在硅基逻辑芯片中，常闭型（增强型）架构能够降低功耗；而在功率器件中，增强型架构更是保障安全运行的刚需。业内现已落地多种增强型实现方案，其中产业化最成熟的是镁掺杂 P 型氮化镓栅极方案：该结构抬升势垒层表面电势，零偏压下即可耗尽栅极区域的二维电子气。

由于氮化镓 / 铝镓氮异质结依靠晶格应变束缚二维电子气，应变精细化工艺调控是氮化镓功率器件良率制造的关键。若要在硅衬底上生长无裂纹、低位错的高质量超晶格，厂商普遍采用渐变组分铝镓氮缓冲层，再外延生长器件功能层。受此工艺限制，现阶段绝大多数氮化镓功率器件采用横向结构、水平导电沟道；硅与碳化硅功率器件常用的纵向沟道结构，在氮化镓工艺中实现难度极大。

在硅片上制备达标氮化镓外延层本就不易，将氮化镓与其他半导体异质集成更是难上加难。但英特尔晶圆厂研发团队表示，大量终端应用恰恰需要这类异质集成方案。该团队推出基于硅基氮化镓的芯粒平台，面向低压、高密度电力电子场景。

芯粒通过缩短元器件互联间距，降低导通损耗、提升开关速度；而为进一步缩减阻性损耗、强化散热能力，芯粒厚度需控制在 50 微米以内。除此之外，硅基控制电路必须与氮化镓功率器件单片集成，无法单独外置 CMOS 裸片用来搭建控制器等外围电路。

为平衡氮化镓外延质量与硅基工艺兼容性，该研究采用统一工艺设计套件（PDK），将硅基 PMOS 薄膜键合至氮化镓 N 型高电子迁移率晶体管之上，成功搭建包含多路选择器、反相器、环形振荡器在内的全套片上电路库。英特尔数据显示，这批器件厚度仅 19 微米，是目前全球最薄的氮化镓芯粒。

图 1：透射电镜照片：硅基 PMOS 与氮化镓 N-MOS HEMT 单片集成剖面

器件隔离与异质集成难题

器件集成度提升虽能减小导通损耗，却加大了芯片隔离设计难度。当多个器件共用源极或依托同一衬底做背栅控制时，器件间串扰问题尤为突出。

以电力电子基础拓扑半桥电路举例：上下桥开关源极电位互不相同，上管导通时节点接正电源，下管导通时节点接地。绝缘硅（SOI）等特种衬底可给单管划分独立隔离区，但会抬升物料成本、增加设计复杂度。双向开关同样广泛用于各类电源变换器，若两个源极共用衬底，串扰会劣化器件导通电阻；增设有源衬底调控电路虽能改善问题，同样带来成本与设计负担。

香港科技大学吴征团队提出同异质结双沟道方案攻克串扰：器件采用两层铝氮 / 氮化镓堆叠结构，顶层依次外延铝镓氮势垒层与 P 型氮化镓栅极；中间夹层铝氮层形成空穴扩展通道，阻挡空穴纵向迁移。从 P 型栅极注入的空穴被约束在该复合层内复合湮灭，从根源抑制器件串扰。

图 2：双沟道功率集成平台剖面结构与能带原理图

除串扰问题外，工业级功率器件还需具备抗短路、抗过电压冲击能力。香港大学课题组研究发现，背栅调控可缓解沟道电流聚集效应、提升器件短路耐受能力。其研制的共衬底双向开关可承受 30 微秒反复短路冲击，远超行业常规 10 微秒设计指标；反观衬底分离的混合架构器件，短路耐受性能大幅下滑。

器件可靠性与界面品质管控

氮化镓 / 铝氮界面质量直接决定氮化镓器件综合性能。采用金属有机气相外延（MOVPE）工艺生长薄膜时，碳杂质非故意掺入氮化镓层，会在界面形成铝镓氮组分渐变层。

旭化成研究院李泰团队改用三乙基镓替代传统三甲基镓作为镓源前驱体，抑制碳杂质掺杂，使二维电子气面密度近乎翻倍、方块电阻降至原先 1/4；在铝氮势垒层刻蚀凹槽结构，进一步优化欧姆接触、压低接触电阻。

短路、过压等高场工况会加速沟道电子形成热电子，重点侵蚀器件有源区。南方科技大学陈浩浩团队指出：P 型氮化镓掺杂用的镁元素极易扩散渗入铝镓氮势垒层，形成深能级陷阱劣化器件。团队采用二氧化硅掩膜选择性外延工艺，精准在指定区域生长 P 型氮化镓，规避下层铝镓氮势垒层受损。新工艺器件击穿电压达 495 伏，对比传统 HEMT 的 321 伏提升显著，同时器件高温应力稳定性与抗短路性能全面优化。

遭遇过电压时，横向氮化镓 HEMT 易发生毁灭性击穿；硅、碳化硅纵向器件可依靠非破坏性雪崩击穿泄放过压。横向氮化镓器件缺少 PN 结，难以有效泄放碰撞电离产生的载流子，易出现永久性失效。于晶晶团队提出薄型 P 型氮化镓穿通栅极结构：器件关断状态下，耗尽区从漏极侧向源极侧逐步延展；势垒全耗尽后，漏源电压通过穿通效应导通至二维电子气，实现无损毁的过压泄放。

图 3：新型穿通型 HEMT 器件剖面结构图

总结

氮化镓功率器件现已成为手机充电器等低压消费电子产品的主流方案；但工业领域工况严苛，器件需要长期耐受短路、高压瞬态冲击。当前业界依托全新器件架构与工艺改良陆续推出优化方案，但距离成熟量产落地仍有大量研发工作待完成。