氮化镓功率半导体器件技术.pdf

第30卷第1期Vol.30,No.1
固体电子学研究与进展
2010年3月RESEARCH&PROGRESSOFSSEMar.,2010

专家论坛

氮化镓功率半导体器件技术

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张波陈万军邓小川汪志刚李肇基
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054)
2009-07-01收稿,2009-09-05收改稿

摘要:作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能,
是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进
步,特别是大直径硅(Si)基GaN外延技术的逐步成熟并商用化,GaN功率半导体技术有望成为高性能低成本功率
技术解决方案,从而受到国际著名半导体厂商和研究单位的关注。总结了GaN功率半导体器件的最新研究,并对
GaN功率器件发展所涉及的器件击穿机理与耐压优化、器件物理与模型、电流崩塌效应、工艺技术以及材料发展等
问题进行了分析与概述。
关键词:氮化镓;功率器件;击穿电压;比导通电阻
中图分类号:TN304.2;TN305文献标识码:A文章编号:1000-3819(2010)01-0001-10

GalliumNitridePowerSemiconductorDevicesTechnology

ZHANGBoCHENWanjunDENGXiaochuanWANGZhigangLIZhaoji
(StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicsScience
andTechnologyofChina,Chengdu,610054,CHN)

Abstract:GalliumNitride(GaN)isanattractivewidebandgapsemiconductorforhigh-
voltage,high-temperature,high-frequency,high-powerapplicationsbecauseofitsfavorable
materialcharacteristics.Withthedevelopmentofthelarge-diameterGaNepiwafersbasedon
siliconsubstrate,GaN-basedpowerdevicesarepromisingcandidatesforthelow-cost,high-
efficiencypowermanagementsolution.Inthispaper,thestate-of-theartGaN-basedpower
devicesaresummarizedandsomeissuesonGaN-basedpowerdevicesandtechnologies,suchas
breakdownmechanismsandoptimizations,devicephysicsandmodels,currentcollapse,GaN-
basedmaterials,areanalyzedandpresentedindetail.
Keywords:galliumnitride;powerdevice;breakdownvoltage;specificon-resistance
EEACC:2560P

时,诸多新型应用对功率管理单元的体积、效率以及
引言工作稳定性提出了更高要求。然而,传统Si基功率
器件的性能已逼近其理论极限,使得宽禁带半导体
50余年来,硅(Si)基功率器件获得了超过两个成为应用于功率管理的理想替代材料。在宽禁带半
数量级的性能改善,目前已进入性能平稳期,其性能导体材料中,碳化硅(SiC)功率半导体技术研究起步
的进一步提升往往伴随着成本的显著增加。与此同最早,技术相对成熟。自2001年成功推出第一只商

X联系作者:E-mail:[e-mail]
2固体电子学研究与进展30卷

用SiC功率整流器以来,多种SiC功率器件产品相继现了击穿电压近10000V的GaN功率整流器(结构
研制成功并部分走向商用市场[1]。如图1所示)[4]。2006年,美国Auburn大学报道了击
宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有禁带宽度穿电压为600V,正向开启电压为1.3V,比导通电
宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介阻为2.2m8·cm2的SBD器件[5]。
电常数小以及良好的化学稳定性等特点(见表1),特与SiC材料不同,GaN除了可以利用GaN体材
别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子料(Bulk)制作器件以