北大集成电路学院研究团队在GaN基功率电子器件研究上取得系列重要进展

GaN基功率器件具有临界击穿电场高、电子迁移率高、极限工作温度高等特性，在新一代移动通讯、服务器集群、新能源技术、电动汽车等领域有重大应用，是半导体科学技术的研究前沿和全球高科技竞争的关键领域之一。

北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心魏进研究员与物理学院沈波教授带领的研究团队过去5年面向GaN基功率器件的频率瓶颈、可靠性瓶颈、耐压瓶颈这三大技术挑战开展了系统的研究工作，攻克了GaN基功率器件动态阈值稳定性难题，实现了高压桥式集成与低压CMOS集成，实现了万伏级GaN基高压器件。研制的多个器件性能达到了国际领先水平，在半导体器件领域的顶尖国际会议——国际电子器件会议（IEDM）上2023年与2024年共入选5篇高水平论文（2023—2024年IEDM上GaN基功率器件方向论文全球共24篇，北大的论文数排名全球第一）。

单芯片集成技术是提升GaN基功率芯片高频特性的主要技术路径，该技术长期受限于高压信号的串扰效应及p沟道晶体管的低电流密度。该团队创新提出了虚体隔离技术，利用移动空穴巧妙实现了对高压信号的屏蔽。该工作在国际上首次实现了650V Si基GaN高压集成芯片（IEDM, 2023, Sec.9-6）；该团队创新提出了极化增强电离概念，大幅提升了p沟道晶体管的电流密度，实现了国际上传输延迟最小的GaN基CMOS集成电路芯片（IEDM, 2024, Sec.16-1）。

图1 高频GaN基功率集成技术原理与芯片测试结果

器件可靠性是制约GaN基功率器件广泛应用的难点问题，针对动态阈值电压漂移这一难题，该团队提出了金属/绝缘层/p-GaN新型器件结构，一方面实现了近20V的栅极电压冗余，另一方面消除了动态阈值电压漂移。该工作大幅提升了器件鲁棒性，攻克了阈值电压不稳带来的系统误开启难题，使GaN基功率器件实现了与Si基MOSFET器件类似的工作模式（IEDM, Sec.9-4, 2023）。

图2 高可靠性GaN基MIP器件的SEM照片与测试结果

超高压GaN基功率器件的发展长期受限于高场陷阱效应所引起的动态电阻退化以及电场聚集效应引起的提前击穿。针对上述难题，该团队提出了新型有源钝化晶体管，实现了击穿电压大于1万伏的增强型GaN基功率器件，在高达6500V工作电压下实现了对动态电阻的抑制。这是国际上首次报道GaN基功率器件在2kV以上的低动态导通电阻特性，器件品质因数为国际报道最高值（IEDM, 2023, Sec.26-1； IEDM, 2024, Sec.25-3）。

图3 万伏级GaN晶体管SEM照片与测试结果

上述研究工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部重点研发计划、教育部、北京市等项目的资助以及北京大学宽禁带半导体研究中心、微纳/纳米加工技术全国重点实验室、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、国家集成电路产教融合创新平台、集成电路高精尖创新中心等基地平台的支持。

关于GaN的应用，在功率电子领域，GaN技术为电源和能量管理提供了革命性的解决方案。近年来，随着消费者对快速充电需求的增加，GaN充电器以其更小的体积和更高的功率密度迅速占领市场。以氮化镓技术为核心的快充产品，已成为众多智能设备制造商的重要卖点。相比传统硅基功率器件，氮化镓器件能够实现更高的开关频率，从而有效降低充电器的尺寸和重量，同时保证更高的能效。

在数据中心领域，GaN技术同样展现了巨大潜力。随着全球数据存储需求的持续增长，数据中心的能效问题备受关注。GaN器件凭借其高功率密度和低能耗特性，使数据中心在相同空间内容纳更多的存储和计算设备，极大地提升了资源利用效率，同时减少了能源消耗。这一优势不仅降低了数据中心的运营成本，也为实现绿色计算提供了可能。

射频领域是GaN技术的另一重要应用场景。由于其优异的高频性能和散热特性，GaN材料已成为5G基站建设的核心技术支撑。在高功率输出和低噪声要求下，GaN功率放大器能够显著提升基站性能，同时减少设备体积和功耗。随着5G网络的快速部署，GaN在基站设备中的应用比例持续攀升，未来还将助力6G网络的发展。