港科大陳敬教授團(tuán)隊(duì)成功研制一種融合GaN和SiC二者優(yōu)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)晶體管

在硅占據(jù)主導(dǎo)地位數(shù)十年后，兩種較新的材料——碳化硅和氮化鎵——已經(jīng)開始占領(lǐng)價(jià)值數(shù)十億美元的市場(chǎng)。例如，碳化硅現(xiàn)在是電動(dòng)汽車逆變器和充電器的首選半導(dǎo)體。如果大家最近為智能手機(jī)或筆記本電腦購(gòu)買了壁式充電器，那么很可能充電器就采用了氮化鎵。

基于寬禁帶半導(dǎo)體的新型材料具有許多優(yōu)越的特性，它們正在占據(jù)充電器和其他電力電子應(yīng)用市場(chǎng)。然而寬禁帶技術(shù)仍然存在根本性的弱點(diǎn)。對(duì)于碳化硅晶體管來(lái)說(shuō)，一個(gè)很大的問(wèn)題是溝道中電子的遷移率相對(duì)較低，溝道是器件柵極下方的區(qū)域，電流通過(guò)該區(qū)域在源極和漏極之間流動(dòng)。這種低遷移率阻礙了SiC晶體管的高速開關(guān)。這反過(guò)來(lái)又限制了它們?cè)诮涣麟姾椭绷麟娭g轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中的效率。另一方面，氮化鎵晶體管有一個(gè)被稱為“動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻”的特性，這意味著當(dāng)器件傳導(dǎo)電流時(shí)，器件的電阻取決于電壓——電壓越高意味著導(dǎo)通電阻越高。GaN的另一個(gè)問(wèn)題是，器件的物理尺寸及其成本會(huì)隨著其電壓阻斷能力的增加而增加，這對(duì)于預(yù)計(jì)接通和關(guān)斷電壓比內(nèi)部電壓高出許多倍的器件（例如，一臺(tái)典型的計(jì)算機(jī)）來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大缺陷。

如果可以將GaN和SiC結(jié)合在一個(gè)器件中，最大限度地減少各自的缺點(diǎn)并最大限度地發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，會(huì)怎么樣？這個(gè)問(wèn)題促使香港科技大學(xué)和中國(guó)其他三所機(jī)構(gòu)的16名研究人員組成的團(tuán)隊(duì)不斷思考。經(jīng)過(guò)多年努力，他們終于成功制造出一種晶體管，他們稱之為混合場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HyFET）。他們?cè)谌ツ?2月于舊金山舉行的IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議上發(fā)表的一篇論文中描述了他們的研究成果。

HyFET的掃描電子顯微鏡（SEM）俯視圖[a]，清楚地顯示了器件的柵極和源極。HyFET的橫截面SEM圖像[b]，顯示了頂部的氮化鎵晶體管和下方的碳化硅晶體管。其他SEM圖像顯示了GaN器件的柵極區(qū)域[c]以及SiC晶體管的溝道[d和e]。圖源：香港科技大學(xué)

未參與該研究的寬禁帶半導(dǎo)體專家們也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)成果印象深刻?？的螤柎髮W(xué)教授兼實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、IEEE會(huì)士Debdeep Jena表示：“實(shí)際上，我對(duì)香港陳敬（Kevin Chen）團(tuán)隊(duì)的研究成果感到非常興奮。它有很多優(yōu)點(diǎn)和前景?！比欢@些專家對(duì)該類器件商業(yè)前景的看法普遍較為謹(jǐn)慎。

在器件運(yùn)行中，該器件使用低壓高速GaN晶體管來(lái)控制高壓SiC結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）。在傳統(tǒng)的SiC JFET中，漏極位于器件底部，連接到襯底。電流垂直流動(dòng)，由器件頂部的柵極控制，通過(guò)“漂移層”到達(dá)也在器件頂部的一個(gè)或多個(gè)源極端子。在HyFET中，基本配置是可以識(shí)別的：器件底部有一個(gè)漏極，連接到襯底。電流向上流過(guò)SiC漂移層。然而，柵極和源極端子位于直接集成在器件頂部SiC JFET上方的GaN晶體管中。因此，流經(jīng)SiC JFET的電流由器件GaN部分中的柵極和源極端子控制。

這里的優(yōu)點(diǎn)是，具有高電子遷移率的GaN晶體管控制組合器件的開關(guān)。該組合器件建立在SiC JFET的基礎(chǔ)上，具有大漂移區(qū)，具有SiC的電壓阻斷能力。測(cè)試表明該器件很大程度上滿足了研究人員的期望。他們發(fā)現(xiàn)，雖然遷移率不如傳統(tǒng)GaN器件那么高，但它“適合高頻開關(guān)”。他們還證明，在“關(guān)閉”狀態(tài)下，該器件可以阻斷大約600伏的電壓，具體取決于溫度，這對(duì)于同類首個(gè)實(shí)驗(yàn)器件來(lái)說(shuō)相當(dāng)不錯(cuò)。

制造該器件必須克服許多挑戰(zhàn)。其中主要的方法之一是直接在SiC晶體管之上生長(zhǎng)GaN晶體管。GaN器件通常在SiC襯底上制造。然而，這些器件是“在軸上”生長(zhǎng)的，這意味著它們是逐層生長(zhǎng)的，每層都平行于襯底。但SiC器件通常是相對(duì)于其襯底晶體晶格的方向離軸生長(zhǎng)的。因此，研究人員必須設(shè)計(jì)出一種在SiC器件上生長(zhǎng)GaN晶體管的方法，其離軸或“誤切”為4度。

為此，他們開發(fā)了一種稱為雙步雙軸應(yīng)變釋放的技術(shù)。兩種不同半導(dǎo)體之間界面的一個(gè)基本問(wèn)題是在兩種不同晶體合并的邊界處產(chǎn)生的應(yīng)變。這種應(yīng)變會(huì)在晶格中產(chǎn)生影響性能的缺陷，稱為位錯(cuò)。研究人員改進(jìn)和開發(fā)的技術(shù)通過(guò)兩種特定類型的位錯(cuò)釋放應(yīng)變，最大限度地減少其有害影響。

HyFET的缺點(diǎn)之一是晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)對(duì)電流的阻力。其特定導(dǎo)通電阻（特定Ron）相當(dāng)高，約為50毫歐姆- cm2。Ron越高意味著整體效率越低。當(dāng)然，HyFET是在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中建造的，是同類產(chǎn)品中的首個(gè)。

文章作者兼IEEE會(huì)士陳敬（Kevin Chen）在一封電子郵件中寫道：“我們論文中的大Ron來(lái)自小型器件……以及SiC部分非常保守的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，利用工業(yè)SiC制造設(shè)施實(shí)現(xiàn)1,200 V HyFET的 3 mΩ?cm2(~2.6) 不存在其他障礙?！?/p>

掃描電子圖像顯示，器件[a]的氮化鎵部分中有一個(gè)孔或通孔。當(dāng)填充金屬[c]時(shí)，這些通孔變成導(dǎo)電通路，使電流能夠在器件的氮化鎵和碳化硅部分之間流動(dòng)。用原子力顯微鏡拍攝的圖像[b]顯示了碳化硅層的表面。圖源：香港科技大學(xué)

不過(guò)，IGBT發(fā)明人、IEEE終身會(huì)士、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程杰出大學(xué)教授B. Jayant Baliga指出，作為比較，能夠阻斷超過(guò)600伏電壓的最先進(jìn)的SiC或GaN晶體管的Ron可以低至2 mΩ?cm2。鑒于這些數(shù)字，Baliga質(zhì)疑當(dāng)更簡(jiǎn)單且可能更便宜的SiC晶體管出現(xiàn)時(shí)，對(duì)商用HyFET的需求會(huì)有多大。Baliga問(wèn)道：“如果比導(dǎo)通電阻沒(méi)有降低到碳化硅MOSFET[金屬氧化物半導(dǎo)體FET]以下，那么在需要所有這些層生長(zhǎng)的情況下，什么會(huì)促使人們轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的東西？”

IEEE會(huì)士、加州大學(xué)圣巴巴拉分校工程學(xué)院院長(zhǎng)、GaN功率器件先驅(qū)Umesh Mishra對(duì)將兩種不同半導(dǎo)體集成到單個(gè)器件中的優(yōu)勢(shì)（極小的電感延遲和電容損耗）是否值得耗費(fèi)復(fù)雜的制造和其他因素的成本付出存在質(zhì)疑。他指出，為了制造這樣的器件，公司“現(xiàn)在必須擁有兩種在工廠運(yùn)行的技術(shù)”?！八麄儽仨殦碛刑蓟杓夹g(shù)和氮化鎵技術(shù)。沒(méi)有人愿意這樣做，因?yàn)槟悻F(xiàn)在有兩種復(fù)雜的技術(shù)需要同時(shí)嘗試運(yùn)行”——這是一個(gè)成本高昂的提議。

Mishra補(bǔ)充道：“實(shí)現(xiàn)一些困難的事情總是很難的。那么問(wèn)題來(lái)了，你得到的好處是什么？”Mishra指出，通過(guò)簡(jiǎn)單地將兩個(gè)不同的晶體管連接在一個(gè)封裝中，而不是將它們集成到單個(gè)混合器件中，就可以以低得多的成本獲得組合器件的大部分優(yōu)點(diǎn)。

然而，作者陳敬表示，不需要的電子特性，特別是寄生電感的缺點(diǎn)，將影響簡(jiǎn)單封裝在一起而不是集成的晶體管。他在電子郵件中寫道：“較低的寄生電感可以最大限度地減少開關(guān)振蕩并降低開關(guān)損耗，先進(jìn)的共封裝技術(shù)可以在一定程度上降低寄生電感，但可能不如集成器件（批量生產(chǎn)的器件）具有成本效益?！?/p>

康奈爾大學(xué)的Jena指出，HyFET潛在的難題，尤其在于GaN器件的進(jìn)步速度。他表示，在可預(yù)見的未來(lái)，GaN將變得很強(qiáng)大，以至于可能不需要混合方案就能取得勝利。他說(shuō)：“物理學(xué)告訴我，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，GaN是贏家”。他總結(jié)道，“我不想否定[HyFET]論文的價(jià)值。這是一篇很棒的論文。不管他們?cè)谶@里展示了什么，也不會(huì)影響未來(lái)氮化鎵的可能?！?/p>

來(lái)源：IEEE Spectrum

審核編輯：劉清