原创双向GaN突破3000V！

 2025-4-8 10:17  33 0 分类: 电源/新能源

近日，《应用物理快报》刊登了一篇名为《蓝宝石基3kV单芯片双向GaN HEMT》的文章，其作者及研究团队来自于威斯康星大学麦迪逊分校，透露了单片双向GaN晶体管的最新研究进展。该研究团队表示，他们通过优化欧姆接触、场板结构等工艺，开发了基于蓝宝石衬底的3kV单片双向GaN HEMT，在提升击穿电压的同时保持低导通电阻：

击穿电压：≥3 kV（受限于测试设备上限），漏极/栅极漏电流分别稳定在90 μA mm−1及2 μA mm−1。
导通电阻：20 Ω·mm（对应比导通电阻11mΩ·cm²），与TLM测试结果一致。
阈值电压：-3.25 V（定义于1mA/mm），亚阈值摆幅为92 mV/dec，开关比>10⁵。

研发背景

过去，传统双向开关方案通过两个单向晶体管反串联（anti-series）或反并联（anti-parallel）来实现双向功能，其不足较为明显：一是高导通电阻：串联结构的总电阻为单个器件的两倍。二是低可靠性：四颗器件结构（含内部连接）复杂度高，接触点增加会导致失效风险上升。三是体积与成本问题：多颗器件的占用面积较大，难以小型化。与之相比，单芯片GaN双向开关可有效解决以上问题，但是，其受限于制造工艺，击穿电压等级一般难以提升，不足以支持1200V/1700V的功率转换器应用。为此，业界主要选择蓝宝石作为衬底材料，以提高GaN器件的耐压能力。威斯康星大学研究团队也是采用蓝宝石衬底方案，他们此前成功研制出击穿电压达1360 V的单芯片双向 GaN HEMT ，这一次，他们继续优化相关工艺，将击穿电压提升至3kV。

器件制备步骤：

在器件结构与设计中，该研究团队通过蓝宝石衬底、双场板优化和精密工艺控制，最终实现3kV GaN双向开关的突破性性能：

外延结构设计：采用MOCVD工艺，自下而上生长缓冲层、沟道层、插入层、势垒层及帽层。

单片双向 GaN HEMT 的结构：（a）横截面（b）顶视图

欧姆接触形成：通过光刻定义欧姆区域，沉积Ti/Al/Ni/Au金属堆叠（20/120/30/50nm），随后在N₂环境中900°C退火45秒，形成低阻欧姆接触（接触电阻Rc≈0.9 Ω·mm），确保源/漏极与2DEG的高效载流子注入。
台面隔离：采用干法刻蚀工艺（如ICP-RIE）刻蚀750 nm深至Fe掺杂GaN层，实现器件间电隔离，防止相邻器件漏电。刻蚀后表面需清洁处理，避免残留物影响后续工艺。
栅极制备：通过两次30°倾斜沉积工艺，在刻蚀后的台面区域沉积200 nm厚Ni栅极金属，确保侧壁完全覆盖。
钝化层沉积：使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在表面生长320 nm厚Si₃N₄层，作为钝化层降低表面态密度，抑制电流崩塌效应，同时为场板结构提供介质支撑。
第一场板（FP1）集成：刻蚀Si₃N₄至剩余100 nm厚度，沉积Ni/Au（200/200 nm）金属，长度LFP1=1~3 μm（优化值≤2 μm），连接至源极（S1），用于分散栅边缘电场。
第二场板（FP2）集成：刻蚀Si₃N₄至剩余250 nm厚度，沉积Ni/Au（200/200 nm）金属，长度LFP2=1~3 μm，连接至另一侧源极（S2），进一步优化电场分布，提升击穿电压。

实验结果：

器件成功研制后，该研究团队对其进行了相关测试，发现其基本满足实验目标：