氮化鎵具有優(yōu)異的材料特性，例如寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高功率密度等。氮化鎵器件在高頻率、高效率、高功率等應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著GaN功率器件的性能提升，GaN與SiC共存領(lǐng)域的形勢(shì)將會(huì)發(fā)生重大變化。當(dāng)前，以GaN和SiC為代表的國(guó)際第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，受政策、資本、技術(shù)、市場(chǎng)的“四輪驅(qū)動(dòng)”，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從研發(fā)到規(guī)模性量產(chǎn)的成功跨越，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展階段。

世界各國(guó)以前所未有的力度扶持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，爭(zhēng)相搶跑第三代半導(dǎo)體。國(guó)際龍頭企業(yè)大力完善產(chǎn)業(yè)布局，強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；企業(yè)上下游深化戰(zhàn)略合作，擴(kuò)大自身優(yōu)勢(shì)，搶占市場(chǎng)份額。在各方支持下，國(guó)內(nèi)SiC和GaN技術(shù)和產(chǎn)品也相繼獲得突破。

近日，第九屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）在廈門(mén)國(guó)際會(huì)議中心召開(kāi)。期間在“氮化鎵功率電子器件”分會(huì)上，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院院長(zhǎng)、教授于洪宇帶來(lái)了“Si基GaN器件及系統(tǒng)研究與產(chǎn)業(yè)前景”的主題報(bào)告，分享了Si基GaN器件先進(jìn)工藝研究進(jìn)展、Si基GaN功率器件及其電源系統(tǒng)、Si基GaN射頻器件及其PA模塊、Ga2O3器件及GaN氣體傳感器。

GaN功率器件朝高功率密度、高頻、高集成化方向發(fā)展，擊穿電壓集中在<200V 和650V。目前GaN功率元件市場(chǎng)的發(fā)展主要由消費(fèi)電子所驅(qū)動(dòng)，核心在于快速充電器， 其他消費(fèi)電子場(chǎng)景還包括D類(lèi)音頻、無(wú)線充電等。許多廠商已將目光轉(zhuǎn)向工業(yè)市場(chǎng)，如電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心電源、風(fēng)力發(fā)電等。

商業(yè)GaN射頻器件目前主要集中在低頻、高功率，為進(jìn)一步拓展應(yīng)用市場(chǎng)，未來(lái)將朝更高功率、更工作頻率方向發(fā)展。國(guó)防、5G、電信基礎(chǔ)設(shè)施是推動(dòng)GaN RF發(fā)展的動(dòng)力源泉。2022年GaN RF器件市場(chǎng)價(jià)值13億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到27億美元，2020年至2028年復(fù)合增長(zhǎng)率為12%。

Si基GaN器件先進(jìn)工藝方面，研究涉及極化和二維電子氣、導(dǎo)通機(jī)制及器件結(jié)構(gòu)，超低接觸電阻的源、漏極n型歐姆接觸，InAlN上的源、漏極歐姆接觸，超低接觸電阻的源、漏極p型歐姆接觸、低損傷GaN數(shù)字刻蝕技術(shù)、SiNx柵介質(zhì)層、柵介質(zhì)層和表面處理等。其中，研究提出了利用兼容CMOS工藝的TiAl合金層，氮化鎵基HTMT源漏歐姆接觸電阻實(shí)現(xiàn)0.063Ω·mm（非金工藝），刷新了世界紀(jì)錄，被遴選為IEEE EDL封面文章。

研究提出兼容COMS工藝的低成本Si/Ti5Al1/TiN歐姆接觸結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了0.11 Ω·mm的超低歐姆接觸電阻值。利用透射電鏡（TEM）等技術(shù)手段深入分析了其形成優(yōu)異歐姆接觸的微觀機(jī)理，提出了該歐姆接觸結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。

研究首次提出Mg/Pt/Au結(jié)構(gòu)的p型歐姆接觸工藝，并系統(tǒng)分析了其載流子輸運(yùn)機(jī)制。在雙溝道氮化鎵外延襯底上實(shí)現(xiàn)了目前報(bào)道的最低p型歐姆接觸電阻值12Ω?mm 。打破了GaN p-FETs及CMOS上p型歐姆接觸制備困難的壁壘，連續(xù)兩月被列為排名前三的popular paper。

首次系統(tǒng)性研究InAlN材料體系原子層刻蝕技術(shù)，結(jié)合了不同時(shí)間O2plasma 和不同功率BCl3plasma，可以精確控制InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)的刻蝕深度，大幅度優(yōu)化了刻蝕后的表面粗糙度。

Si基GaN功率器件及其電源系統(tǒng)方面，研究涉及Cascode路線，p-GaN路線，p-GaN柵的石墨烯應(yīng)用，U-GaN外延應(yīng)用于p-GaN柵極，p-GaN柵極擊穿機(jī)理探究，p-GaN柵HEMTs的關(guān)態(tài)擊穿特性優(yōu)化，再生長(zhǎng)凹柵路線，基于GaN HEMTs的電源適配器等。

研究通過(guò)優(yōu)化歐姆接觸工藝、場(chǎng)板工藝和Cascode封裝工藝，實(shí)現(xiàn)了器件導(dǎo)通電阻的降低和擊穿電壓的大幅提高，為高效率的電源模組實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，示范性應(yīng)用在國(guó)家電網(wǎng)的智能終端。

Si基GaN射頻器件及其PA模塊方面，研究涉及免刻蝕常關(guān)型器件制備-應(yīng)力工程，多指梳狀柵抑制短溝道效應(yīng)，應(yīng)力工程的可靠性驗(yàn)證，GaN射頻功率放大器設(shè)計(jì)等。

研究提出了一種寬帶拓展的兩級(jí)Doherty PA新結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低載波PA的匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗轉(zhuǎn)換比換取帶寬拓展，將Π型和T型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，突破了傳統(tǒng)Doherty PA窄帶的限制，在5.15-5.85GHz頻段實(shí)現(xiàn)20dB增益和6dB回退效果的高線性度PA的效果。

GaN氣體傳感器及Ga2O3器件方面，研究涉及MIS-SBD、MOSFET仿真、常關(guān)型MOSFET等。研究顯示，采用Pt柵極可實(shí)現(xiàn)對(duì)H2S, H2等氣體實(shí)現(xiàn)低功耗、高靈敏度的快速檢測(cè)；采用TiO2柵極實(shí)現(xiàn)超低濃度10-ppb級(jí)別的CO檢測(cè)，500-ppb測(cè)試下可實(shí)現(xiàn)4s的快速響應(yīng)；采用無(wú)柵金屬結(jié)構(gòu)，利用GaN本身的材料特性可實(shí)現(xiàn)柴油煙塵顆粒檢測(cè)，其中器件測(cè)試后可通過(guò)600℃熱氧化處理再生，且傳感性能無(wú)變化，證明GaN傳感器具有高溫?zé)岱€(wěn)定性和惡劣環(huán)境下的工作能力。

審核編輯：劉清