氮化镓功率器件，加速落地

随着电力在越来越多应用场景中逐步替代化石能源，系统设计人员亟需可适配更高输入电压、耐受严苛短路与过电压尖峰的功率开关器件与变流器。氮化镓等宽禁带半导体凭借更高的击穿场强与导热系数，可实现高功率密度产品，因此备受器件设计者青睐。但这类器件耐受常规失效工况的性能，目前相关验证仍不完善。

HEMT是氮化镓功率器件的核心基础单元，器件依托氮化镓/铝镓氮异质结结构制备。两种材料接触面的晶格应变会造成能带结构突变，进而生成二维电子气（2DEG）。该薄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；无外加偏压时，二维电子气便可形成导电通路。

由此，基础结构的HEMT为常开型耗尽型器件。硅基逻辑电路优先选用常关型增强型器件以降低功耗，而在功率器件领域，增强型结构更是保障安全运行的必备条件。业内现已研发出多款可实现增强型工作模式的器件架构，其中采用镁掺杂P型氮化镓栅极的方案落地成效最佳：该结构抬升势垒层表面电势，零偏压条件下即可耗尽栅区的二维电子气。

氮化镓/铝镓氮异质结依靠晶格应变束缚二维电子气，因此精准的应变调控是氮化镓功率器件量产的关键。为在硅衬底上生长无裂纹、低位错密度的高质量超晶格，厂商一般先外延渐变组分铝镓氮缓冲层，再淀积器件功能层。受此工艺约束，现阶段绝大多数氮化镓功率器件采用横向结构与水平导电沟道；硅与碳化硅功率器件常用的纵向沟道结构，在氮化镓器件中难以实现。

即便制备单衬底高质量氮化镓难度较高，实现氮化镓与其他半导体材料的异质集成挑战更大。但Intel Foundry Han Wui Then及其团队指出，诸多终端应用恰恰需要这类异构集成方案。该课题组研发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。

芯粒缩短元器件布线间距，能够降低导通损耗、提升开关速率；但想要进一步缩减阻性损耗、优化散热，芯粒厚度需控制在50微米以内。与此同时，硅基控制电路必须和氮化镓功率器件集成在同一晶圆，无法单独外置CMOS裸片搭建控制器等配套电路。

为平衡氮化镓外延质量与硅基制程工艺，该研究采用统一工艺设计套件，将硅基PMOS薄膜转移键合至氮化镓N型MOSHEMT之上，并完成多路选择器、反相器、环形振荡器等全套片上电路库的流片验证。据英特尔披露，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，单片集成硅PMOS的氮化镓N-MOSHEMT

器件隔离与集成

提升器件集成密度可减小导通损耗，却会加大器件间隔离难度。尤其当器件共用源极、或依托同一衬底背栅控时，串扰问题尤为突出。

半桥电路是电力电子基础拓扑，由源极电位互不相同的上管、下管组成：上管导通时中间节点接电源正极，下管导通时节点接地。绝缘体上硅（SOI）等特种衬底可为单只管芯划分独立隔离区，但会抬升物料成本与设计难度。双向开关广泛应用于各类变流器，若两只开关共用衬底，衬底串扰会劣化器件导通电阻；加装有源衬底调控电路同样会增加成本与设计复杂度。

香港科技大学Zheng Wu团队在同一异质结内制备双二维电子气沟道，以此攻克上述难题。器件采用双层氮化铝/氮化镓堆叠结构，顶层依次生长铝镓氮势垒层与P型氮化镓栅极；堆叠层中间的氮化铝层形成空穴扩展沟道，阻断空穴纵向输运。自P型氮化镓栅极注入的空穴被扫入该中间层并复合湮灭，以此抑制器件串扰。

图2：双沟道功率集成平台截面图与能带示意图

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。香港大学研究团队提出，背栅调控效应可缓解沟道电流集聚现象，提升器件抗短路能力。其研制的共衬底双向开关可耐受单次30微秒的反复短路冲击，远超行业常规10微秒的设计指标；反观衬底分离的混合架构器件，抗短路性能大幅衰减。

可靠性与界面品质

氮化镓/氮化铝界面质量同样左右氮化镓器件综合性能。采用金属有机气相外延（MOVPE）制备膜层时，碳元素非刻意掺杂进入氮化镓层，会在两种材料界面形成铝镓氮组分渐变层。

旭化成T.Lee团队改用三乙基镓替代传统三甲基镓作为镓源，抑制碳杂质掺入，使二维电子气面密度近乎翻倍、方块电阻降至原先四分之一；在氮化铝势垒层开槽刻蚀进一步优化接触电阻，改善器件电学性能。

短路、过电压等高场工况会加速沟道内电子形成热电子，重点损伤器件接入区。南方科技大学Haohao Chen指出：P型氮化镓掺杂剂镁元素易扩散进入铝镓氮势垒层，形成深能级陷阱。该团队采用二氧化硅掩膜选择性外延工艺，仅在目标区域生长P型氮化镓，避免底层铝镓氮层受损；成品器件击穿电压达495伏，常规HEMT仅321伏，同时器件高温耐久与抗短路可靠性同步提升。

过电压冲击易造成氮化镓横向HEMT不可逆击穿损毁；硅、碳化硅纵向器件可依托雪崩击穿实现非破坏性泄流。横向氮化镓器件无PN结结构，Jingjing Yu团队认为其无法有效泄放碰撞电离生成的载流子。为此该团队减薄P型氮化镓栅极，设计穿通型栅极（PT-gate）器件，如图3所示：器件关断时耗尽区自漏端向源端延展，势垒层完全耗尽后电流可穿通至二维电子气沟道，实现安全非破坏性击穿。

图3：新型穿通型HEMT结构设计及剖面示意图

结语

目前氮化镓功率器件已是消费电子充电器等低压场景的主流方案。但工业领域工况应力严苛，器件必须耐受频繁短路与高压瞬变冲击。各类创新器件架构与工艺改良方案不断落地，但氮化镓功率器件工业化完善仍有大量研发工作待推进。