苏州纳米所孙钱团队研制出国际首支1200V的硅衬底GaN基纵向功率器件

  氮化镓(GaN)电子器件具有更高耐压,更快的开关频率,更小导通电阻等诸多优异的特性,在功率电子器件领域有着广泛的应用前景:从低功率段的消费电子领域,到中功率段的汽车电子领域,以及高功率段的工业电子领域,目前650V级的GaN基横向功率器件(如HEMT)已经广泛应用于消费类电子产品的快充设备、大数据中心的电源管理系统,而有望应用到电动汽车上的1200 V级器件是GaN功率电子器件领域的研究热点和难点。 

  1. GaN基纵向、横向功率器件的特点比较 

  相比于横向功率电子器件,GaN纵向功率器件能提供更高的功率密度/晶圆利用率、更好的动态特性、更佳的热管理,而大尺寸、低成本的硅衬底GaN纵向功率电子器件吸引了国内外众多科研团队的目光,近些年已取得了重要进展。 

   2.(a) 受硅烷流量影响的漂移层Si的掺杂浓度(SIMS数据)和净载流子浓度(C-V数据) (b) 离子注入保护环对器件反向电学特性的影响,插图:离子注入保护环的SEM图; (c) GaN基纵向功率二极管的关态击穿电压与开态导通电阻(Ron,sp)的评价体系。国内外相关研究团队的自支撑衬底和硅衬底GaN基肖特基势垒二极管(SBD),结势垒肖特基二极管(JBS),凹槽MOS型肖特基二极管(TMBS)器件性能的比较 

  中科院苏州纳米所孙钱研究团队先后在漂移区的掺杂精准调控、器件关态电子输运机制及高压击穿机制、高性能离子注入保护环的终端开发等核心技术上取得突破,曾经研制出关态耐压达603V、器件的Baliga优值(衡量器件正反向电学性能的综合指标)为0.26GW/cm2的硅衬底GaN纵向肖特基势垒二极管相关指标为公开报道同类型器件的最佳值(IEEE Electron Device Letters, vol. 42, no. 4, pp. 473-476, Apr 2021; Applied Physics Letters, vol. 118, no. 24, 2021, Art. no. 243501; IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 11, pp. 5682-5686, 2021)。 

  3.(a) 硅衬底GaN纵向p-n功率二极管的示意图; (b) 随漂移区深度分布的净载流子浓度;(c) 漂移区外延材料的CL-mapping图;(d) 带保护环器件的正向电学数据;(e)保护环对器件反向电学特性的影响 

  在前期工作基础上,近期团队基于6.6 μm厚、穿透位错密度低至9.5 x 107 cm-3的高质量硅基GaN漂移区材料(为公开报道器件中的最低值),成功研制了1200 Vpn功率二极管。器件的理想因子低至1.2;在反向偏置电压为1000 V的条件下,器件在温度为175 oC的工作环境,仍然能正常工作,10次功率循环的测试表明器件具有较佳的可靠性,且受偏置电压和导通时间影响的动态导通电阻降低现象得到了研究,相关工作以1200-V GaN-on-Si Quasi-Vertical p-n Diodes为题发表于微电子器件领域的顶级期刊IEEE Electron Device Letters 43 (12), 2057-2060 (2022)第一作者为中科院苏州纳米所特别研究助理郭小路博士通讯作者为孙钱研究员和特别研究助理钟耀宗博士。 

  4.(a) 温度依赖的反向电学特性;(b) 受反向偏压影响的动态导通电阻及其时间分辨图;(c) 连续的功率循环测试及其(d)测试前、后器件的正向电学特性曲线 

 5.GaN基纵向功率二极管的关态击穿电压与开态导通电阻(Ron,sp)的评价体系。国内外相关研究团队的自支撑衬底和硅衬底GaN基肖特基势垒二极管(SBD),p-n功率二极管(PN),场效应晶体管(FET)器件性能的比较

  基于上述系列研究工作(第一作者皆为特别研究助理郭小路博士),孙钱团队成功牵头申报并获批了2022年国家重点研发计划项目—GaN基纵向功率电子材料与器件。上述研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院重点前沿科学研究计划、江苏省重点研发计划项目等资助。 

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