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精英访谈:垂直氮化镓应用前景解析

时间:2022-06-07 09:09:42 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
在高功率器件领域,宽带隙氮化镓器件的应用正在日益增长。但通常这指的都是横向氮化镓结构。而如今,电压更高、电流更大以及开关速度更快的垂直氮化镓已经问世。关于垂直氮化镓技术的进展和应用,且听本期精英访谈中资深专家的介绍…..
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本期访谈的专家是在俄亥俄州立大学获得电气工程博士学位的Robert。他的研究领域包括宽带隙光电子学和可靠性物理学,目前专注于研究宽带隙、超宽带隙材料和器件。

对于节能和紧凑型功率转换系统来说,氮化镓(GaN)功率器件是非常理想的选择。在硅功率电子器件领域,横向GaN已经取得了快速进展。近期,在功率器件领域,随着高质量GaN大基底的问世,也催生了垂直GaN技术的推广应用,该技术可以使器件实现更高的击穿电压、更大的电流和更优异的开关性能。由于基于GaN基底,垂直GaN技术可以发挥GaN材料特性的全部潜力。

Maurizio Di Paolo Emilio: 

Robert,目前业界都知道横向GaN,但垂直GaN技术也开始有所进展。本期讨论主题就是垂直GaN。在开始之前,请先自我介绍一下。

Robert Kaplar:

我是桑迪亚国家实验室和新墨西哥州Albuquerque公司的经理。我的团队非常关注基于氮化物的材料和器件,例如氮化镓。我们正在研究的一个领域就是功率电子和功率器件,特别是本期将讨论的这些垂直氮化镓器件。

Maurizio Di Paolo Emilio:

横向GaN硅或碳化硅器件上的GaN结合了热膨胀系数失配的材料。此外,可以说,在典型的GaN HEMT器件中,沟道非常靠近表面,大约为几百纳米数量级,这可能会产生钝化的冷却问题。在一个横向的硅基氮化镓器件中,漏源隔离决定了器件的击穿电压,所以差别很大。你们能解决这些器件之间的技术差异吗?GaN在横向和垂直技术方面的主要技术差异是什么?

Robert Kaplar:

我们倾向于将横向器件视为已经开发的一些射频GaN器件的近亲,它基于的是异质结构,电流的传输是通过二维电子气进行的,在很大程度上它是一种面向表面的器件。

而垂直GaN器件,虽然仍是GaN,但在器件的结构和GaN的基本特性方面却有很大不同。具体表现在以下几个方面:

首先,垂直GaN器件类似于分立硅或碳化硅功率器件。如果看器件横截面草图会发现,垂直GaN具有与硅或碳化硅非常相似的特征。它通常有一个原生基底,即氮化镓基底(虽然不一定是这样,但这是首选),这是一个区别。

其次,垂直GaN有一个很厚的漂移层,即阻挡电压的层,也叫阻流器。传输是垂直的,电场往往也是以垂直为主。

还有,它也不是表面器件,其最高电场位于器件内的PN结处。有人可能喜欢以二极管为例,实际上任何器件都有需要处理的边缘端点。如果它是一个MOSFET,会在顶部有一个电介质。

再就是材料性质有一些不同。实际上,垂直GaN在处理方面也有不同。

Maurizio Di Paolo Emilio:

上面提到了很多功能差异,但对于满足重要应用来说,哪个是最重要的考虑因素呢?为什么需要将垂直GaN与横向GaN器件相比?是由于其输出电容小,导致开关损耗非常小?还有,通过同质材料就可保持最佳传输性能,而无需用额外的层导向封装,并从器件的顶部和底部脱离框架?是这样吗?

Robert Kaplar:

是的。关键的区别可能是,电压下降是在最高场中的那个埋在器件中的厚漂移层上,所以,至少是第一阶场,允许人们根据该层的厚度来缩放垂直GaN器件的电压,而不是横向缩放电压。因此,只需横向缩放来增加器件的电流(而对于HEMT来说,电压和电流的缩放都是在横向完成的)。这样就有可能实现更高的电压。

至于所说的中压,我倾向于将其定义为1.2KV到大约20KV之间。也许会看到不同的定义,并不是说这对于HEMT是不可能的,但是要知道,横向缩放可能没有什么优势。垂直器件确实会发生雪崩击穿,至少在某些类型的器件中,这些器件已被许多人展示为二极管。这对于大功率电子器件来说很重要。

至于一些热性能,对于HEMT来说确实有很多接口。它们的材料中往往有更多的缺陷,比如错位和类似的东西,并不是说这些是禁止的,但是对于同质外延材料来说,由于器件中缺乏这些接口,并且缺乏散射中心关断缺陷和类似的东西,人们往往会采用更简单的热传输。当然有人可能会问,垂直GaN与其他一些技术(包括硅或碳化硅、以及横向GaN)比较如何?我认为GaN确实具有一些材料优势,其中一些仍在实际评估中,因为直到最近我们才接触到这种高质量的材料。所以,我们也想知道这些东西的比较情况如何,在材料、属性处理以及类似这些方面,还需要做哪些额外工作。我们确实有一些关于汽车应用以及一些与电网相关应用的想法,如避雷器和类似的东西,可能是比较适合开始切入的地方。

Maurizio Di Paolo Emilio:

对于下一代功率解决方案以及功率器件,出了需要满足性能和价值要求外,还必须考虑效率因素。在这种情况下,GaN将成为主流技术。然而,此时出现了一个问题,即对于特定应用而言,最佳解决方案是什么?比如,是硅基GaN、碳化硅基GaN,或者说,GaN基GaN。GaN的默认基底是硅或碳化硅。碳化硅在射频领域有很多应用。GaN基GaN与其他产品相比,碳化硅的导热性比GaN高很多。另外,GaN中的电子迁移率远高于碳化硅,在横向器件中,这也是二维电子气的原因。因此,如果切换到垂直器件,在这种情况下可能会失去一些优势。所以该怎么看?

Robert Kaplar:

射频领域中有一种标准的GaN器件,即GaN HEMTon碳化硅。GaN的导热系数更高,这与硅有些相似。当然,正如之前提到的那样,它确实取决于材料中的缺陷,它可能取决于掺杂、几何形状等等。据我了解,碳化硅器件上的GaN仍然受到热限制。也确实存在界面效应,以及其他诸如此类的东西。对于GaN基GaN而言,可能在射频以及一些垂直器件中有一些应用。

我们的团队目前更多地关注功率开关领域,也会讨论前面所提到的一些热问题。但是,这不仅与热导率有关,而且与迁移率也有关,还有人们已经测量过的载流子寿命的其他材料特性等,这些都可能会影响这些器件(例如,单极与双极器件。)的行为方式。对于单极器件来说,迁移性是关键。关于这点,目前仍存在争论。实际上垂直GaN中的迁移率究竟是多少?对此有各种不同报道。请记住,这是一个整体迁移率,其主要电流方向是沿z轴、是垂直的。这在物理上与今天的迁移率有很大不同。其中一些报告说,其迁移性与目前的HEMT的迁移性相当。所以,对于垂直GaN来说,这实际上可能是一个非常好的情况,特别是在高质量的同质外延型材料方面以及相关领域,确实还有许多工作要做。

Maurizio Di Paolo Emilio:

垂直GaN器件的工作频率更高,并能在更高的电压下工作,这应该会产生新一代更高效的功率器件。目前存在哪些方面的挑战?相对于横向GaN,制造方面存在的问题是什么,再利用成本方面又有什么问题?这也很重要,我们是仅在学术上讨论垂直GaN,还是可以在市场上找到具体应用?

Robert Kaplar:

关键的挑战之一是基底。就所见过的基底尺寸而言,两者都达到了四英寸。有些公司声称的尺寸更大。而且,就各种类型的缺陷而言,包括这些基底的质量,以及它们的均匀性和再现性。所以这是非常关键的一门课程,一切都需要从基底开始。但就器件本身而言,漂移层当然要提供更高的电压,必须做得那么厚,并进行低掺杂。所以这方面会有一些挑战。这取决于生长技术,但是,诸如补偿缺陷之类的东西,往往会抵消刻意的掺杂作用。同样,这指向了这些非常厚的层上的基本生长和缺陷研究。所以这些都很关键。

在处理之前提到的器件方面,如果看一下垂直GaN、PN二极管或MOSFET的横截面,会发现它类似于在硅或碳化硅中看到的,但材料同样是有区别的。这将导致处理方面的显著差异。

最大的挑战之一是实现选择性区域掺杂,因此要交换P型和N型掺杂区域。对于一些更先进的器件架构,例如JBS二极管或双A MOSFET,需要这样做。因此,不同的工程团队在用不同的方法来实现高质量的接口,即这些PN结。这方面的进展很大,但是,仍有大量工作要做。

另一个领域与电介质、栅极电介质、钝化素有关。这些都是存在根本问题的要素,需要将所有这些要素代入标准流程,并且需要一个制造型的环境。这也是我们团队一直正在努力的事情。目前很多这方面的工作仍然是学术性的,有些仍在实验室里,我知道至少有一家公司、也许有几家公司正在从事这方面的研究。我们的团队一直在尝试使技术成熟起来,以形成具有高良率的可重复工艺等。

Maurizio Di Paolo Emilio:

最后一个问题是……全球视野。市场正在继续竞相寻求更大的功率器件。在功率应用方面,尤其是在电力市场中,碳化硅和氮化镓半导体比硅半导体更具优势。然而,在设计基底晶圆方面,使用这些宽带隙半导体的设计人员不得不面临一些真正的挑战。那么,你对下一代有何期待?相比而言,GaN和碳化硅的未来会怎样,尤其是对垂直和横向GaN技术而言?未来在哪些领域会有重大的技术发展机会?

Robert Kaplar:

我认为所有这些技术都有一席之地。电动汽车市场也确实在迅速扩张,碳化硅在那里找到了一个很好的用武之地。这会推动这项技术的成熟,甚至更进一步。我们正在研究垂直GaN在车辆传动系统领域的潜在应用,且认为GaN会有一些优势。横向GaN往往适合于低功率、低电压、开关频率非常高的应用。所以,横向GaN会在那个领域继续发展。除了汽车、地面车辆之外的其他交通领域,总体而言都在推进电气化,这真的很令人兴奋,而航空、铁路、海洋,这些往往会更多地步入中压应用。例如航空领域,需要通过提高电压来减少一些电缆重量。所以这些中压型器件可以在那里得到应用,因而垂直GaN也可以在那里找到归宿。另一个大领域当然是电网,特别是可再生能源存储领域。这个领域的重点是弹性、固态变电站和变压器,诸如此类。

在上述这些领域中,碳化硅和垂直GaN也可以找到用武之地。我们一直在研究垂直GaN在电网、避雷器等相关领域中的一些特殊应用。这也是我们团队一直关注的一个领域。显而易见,上述所有领域里的应用都在扩大。

最后,我还想告诉读者,未来还有更加新型的材料即将问世,比如其他一些超宽带隙材料。这些材料包括氮化物、铝、氮化硼……氧化镓则是另一种,还有金刚石,还有其他一些材料。不过目前这些还都处于早期阶段,我们的团队也一直在研究其中的一部分,也有很多其他小组都在研究。这也是读者需要关注的新研究领域。

(参考原文:Vertical GaN

本文为《电子工程专辑》2022年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

 

 

责编:Jimmy.zhang
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