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    蘇州納米所孫錢團隊研制出國際首支1200V的硅襯底GaN基縱向功率器件

      氮化鎵(GaN)電子器件具有更高耐壓,更快的開關頻率,更小導通電阻等諸多優異的特性,在功率電子器件領域有著廣泛的應用前景:從低功率段的消費電子領域,到中功率段的汽車電子領域,以及高功率段的工業電子領域,目前650V級的GaN基橫向功率器件(如HEMT)已經廣泛應用于消費類電子產品的快充設備、大數據中心的電源管理系統,而有望應用到電動汽車上的1200 V級器件是GaN功率電子器件領域的研究熱點和難點。 

      1. GaN基縱向、橫向功率器件的特點比較 

      相比于橫向功率電子器件,GaN縱向功率器件能提供更高的功率密度/晶圓利用率、更好的動態特性、更佳的熱管理,而大尺寸、低成本的硅襯底GaN縱向功率電子器件吸引了國內外眾多科研團隊的目光,近些年已取得了重要進展。 

       2.(a) 受硅烷流量影響的漂移層Si的摻雜濃度(SIMS數據)和凈載流子濃度(C-V數據); (b) 離子注入保護環對器件反向電學特性的影響,插圖:離子注入保護環的SEM圖; (c) GaN基縱向功率二極管的關態擊穿電壓與開態導通電阻(Ron,sp)的評價體系。國內外相關研究團隊的自支撐襯底和硅襯底GaN基肖特基勢壘二極管(SBD),結勢壘肖特基二極管(JBS),凹槽MOS型肖特基二極管(TMBS)器件性能的比較 

      中科院蘇州納米所孫錢研究團隊先后在漂移區的摻雜精準調控、器件關態電子輸運機制及高壓擊穿機制、高性能離子注入保護環的終端開發等核心技術上取得突破,曾經研制出關態耐壓達603V、器件的Baliga優值(衡量器件正反向電學性能的綜合指標)為0.26GW/cm2的硅襯底GaN縱向肖特基勢壘二極管,相關指標為公開報道同類型器件的最佳值(IEEE Electron Device Letters, vol. 42, no. 4, pp. 473-476, Apr 2021; Applied Physics Letters, vol. 118, no. 24, 2021, Art. no. 243501; IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 11, pp. 5682-5686, 2021)。 

      3.(a) 硅襯底GaN縱向p-n功率二極管的示意圖; (b) 隨漂移區深度分布的凈載流子濃度;(c) 漂移區外延材料的CL-mapping圖;(d) 帶保護環器件的正向電學數據;(e)保護環對器件反向電學特性的影響 

      在前期工作基礎上,近期團隊基于6.6 μm厚、穿透位錯密度低至9.5 x 107 cm-3的高質量硅基GaN漂移區材料(為公開報道器件中的最低值),成功研制了1200 Vpn功率二極管。器件的理想因子低至1.2;在反向偏置電壓為1000 V的條件下,器件在溫度為175 oC的工作環境,仍然能正常工作,10次功率循環的測試表明器件具有較佳的可靠性,且受偏置電壓和導通時間影響的動態導通電阻降低現象得到了研究,相關工作以1200-V GaN-on-Si Quasi-Vertical p-n Diodes為題發表于微電子器件領域的頂級期刊IEEE Electron Device Letters 43 (12), 2057-2060 (2022),第一作者為中科院蘇州納米所特別研究助理郭小路博士,通訊作者為孫錢研究員和特別研究助理鐘耀宗博士。 

      4.(a) 溫度依賴的反向電學特性;(b) 受反向偏壓影響的動態導通電阻及其時間分辨圖;(c) 連續的功率循環測試及其(d)測試前、后器件的正向電學特性曲線 

     5.GaN基縱向功率二極管的關態擊穿電壓與開態導通電阻(Ron,sp)的評價體系。國內外相關研究團隊的自支撐襯底和硅襯底GaN基肖特基勢壘二極管(SBD),p-n功率二極管(PN),場效應晶體管(FET)器件性能的比較

      基于上述系列研究工作(第一作者皆為特別研究助理郭小路博士),孫錢團隊成功牽頭申報并獲批了2022年國家重點研發計劃項目—GaN基縱向功率電子材料與器件。上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院重點前沿科學研究計劃、江蘇省重點研發計劃項目等資助。 

      論文鏈接


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