氮化镓技术突破：从快充到高功率应用的未来之路
氮化镓技术突破：从快充到高功率应用的未来之路
氮化镓（GaN）作为一种第三代半导体材料，近年来在功率电子领域展现出巨大的应用潜力。本文将为您详细介绍氮化镓技术的最新进展及其在高功率应用中的突破性进展。
氮化镓的未来发展方向
氮化镓功率器件正在快速充电器和电源等领域得到广泛应用，并展现出向高功率应用渗透的趋势。为了实现这一目标，氮化镓必须在高电压、高电流条件下保持高效、安全、可靠且低成本的特性。
高电压氮化镓（1200V）
氮化镓 HEMT（高电子迁移率晶体管）具有独特优势，可以服务于从100V到1200V的宽电压范围。Transphorm公司展示了基于蓝宝石衬底的1200V氮化镓解决方案，通过在蓝宝石上沉积材料构建横向HEMT，成功实现了高电压阻断能力。这种技术不仅保持了低产品成本和高热性能，还在150毫米和200毫米基板上实现了良好的晶体质量和高电绝缘性。
图 1. 基于低成本、大直径、绝缘蓝宝石衬底的1200V氮化镓HEMT级联结构
高电流氮化镓（170A）
目前，氮化镓解决方案已应用于功率范围在65W到3.2kW之间的低功率和中功率应用。然而，氮化镓技术并不局限于这些应用，它完全有能力处理数百安培的电流，并应用于10kW甚至100kW以上的高功率应用。研究人员展示了导通电阻为10mΩ、额定直流电流超过170A的高电流氮化镓原型。该芯片封装在传统的TO-247-3L封装中，实现了高达99.3%的转换效率。
图 2：单个10mΩ氮化镓芯片的开关波形和效率曲线，展示了创纪录的99.3%高效率和14kW输出功率
短路能力（5μS）
氮化镓器件需要具备承受短路事件的能力，以满足电机驱动等应用的严格要求。Transphorm公司展示了一款15毫欧器件，其短路耐受时间延长至5微秒，能够进行高功率操作（12千瓦）。该器件采用TO-247封装，额定电压为650伏，额定直流电流为145安。其峰值效率达到99.2%，最大输出功率为12千瓦。
图 3. 获得专利的氮化镓技术，可实现高达5微秒的短路耐受时间
单片双向开关
氮化镓的横向结构使其非常适合单片集成。研究人员展示了氮化镓双向技术，其中单片集成的D模式双向氮化镓HEMT与两个低压硅MOSFET以级联配置连接，以实现常关操作。这种集成方式不仅减小了芯片尺寸，还提高了器件的品质因数。
图 4. 单片氮化镓双向开关，具有共漏极和共享漂移区
垂直氮化镓技术的挑战与解决方案
虽然氮化镓技术在横向结构中取得了显著进展，但垂直氮化镓器件也面临着一些挑战。研究人员对垂直氮化镓器件的运行和可靠性进行了深入分析，探讨了漂移区优化、衬底移除、电荷捕获现象和失效过程等方面的最新进展。
可靠性挑战
优化漂移区：漂移区的残余电导率会影响器件的最大工作电压。研究发现在原生氮化镓衬底上生长的漂移层，掺杂水平约为8×10^15 cm^-3时，击穿电压可达1.2kV以上。
移除衬底：对于外来衬底，可通过蚀刻或激光剥离等方法在晶体管区域下方局部移除衬底。研究发现，使用钛/铝背面触点并用铜金属化加固的结构，0.52平方毫米晶体管的最佳RonA测量值为5.2 mOhmcm^2。
电荷捕获现象：氮化镓垂直MOS结构中存在阈值不稳定现象。通过脉冲C-V分析发现，存在正（PBTI）和负（NBTI）阈值不稳定性。研究还发现，通过改变SiO2沉积工艺，可以显著减少电子捕获。
失效过程
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。研究发现，栅极电压过高会导致载流子通过氧化物注入，从而引发器件失效。通过在沟槽底部添加p型屏蔽层等解决方案，可以有效降低关态条件下电介质上的场强。
总结
氮化镓技术在高功率应用领域展现出巨大潜力。虽然垂直氮化镓器件面临一些挑战，但通过优化漂移区、改进衬底处理工艺和解决电荷捕获问题，氮化镓技术有望在数据中心、人工智能、交通运输等领域发挥重要作用。