【儀表網 研發(fā)快訊】GaN基功率器件具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、極限工作溫度高等特性，在新一代移動通訊、服務器集群、新能源技術、電動汽車等領域有重大應用， 是半導體科學技術的研究前沿和全球高科技競爭的關鍵領域之一。
 

　　北京大學集成電路學院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心魏進研究員與物理學院沈波教授帶領的研究團隊過去5年面向GaN基功率器件的頻率瓶頸、可靠性瓶頸、耐壓瓶頸這三大技術挑戰(zhàn)開展了系統(tǒng)的研究工作，攻克了GaN基功率器件動態(tài)閾值穩(wěn)定性難題，實現(xiàn)了高壓橋式集成與低壓CMOS集成，實現(xiàn)了萬伏級GaN基高壓器件。研制的多個器件性能達到了國際領先水平，在半導體器件領域的頂尖國際會議——國際電子器件會議(IEDM)上2023年與2024年共入選5篇高水平論文(2023—2024年IEDM上GaN基功率器件方向論文全球共24篇，北大的論文數(shù)排名全球第一)。
 

　　單芯片集成技術是提升GaN基功率芯片高頻特性的主要技術路徑，該技術長期受限于高壓信號的串擾效應及p溝道晶體管的低電流密度。該團隊創(chuàng)新提出了虛體隔離技術，利用移動空穴巧妙實現(xiàn)了對高壓信號的屏蔽。該工作在國際上首次實現(xiàn)了650V Si基GaN高壓集成芯片(IEDM, 2023, Sec.9-6)；該團隊創(chuàng)新提出了極化增強電離概念，大幅提升了p溝道晶體管的電流密度，實現(xiàn)了國際上傳輸延遲最小的GaN基CMOS集成電路芯片(IEDM, 2024, Sec.16-1)。
 

圖1 高頻GaN基功率集成技術原理與芯片測試結果
 

　　器件可靠性是制約GaN基功率器件廣泛應用的難點問題，針對動態(tài)閾值電壓漂移這一難題，該團隊提出了金屬/絕緣層/p-GaN新型器件結構，一方面實現(xiàn)了近20V的柵極電壓冗余，另一方面消除了動態(tài)閾值電壓漂移。該工作大幅提升了器件魯棒性，攻克了閾值電壓不穩(wěn)帶來的系統(tǒng)誤開啟難題，使GaN基功率器件實現(xiàn)了與Si基MOSFET器件類似的工作模式(IEDM, Sec.9-4, 2023)。
 

圖2 高可靠性GaN基MIP器件的SEM照片與測試結果
 

　　超高壓GaN基功率器件的發(fā)展長期受限于高場陷阱效應所引起的動態(tài)電阻退化以及電場聚集效應引起的提前擊穿。針對上述難題，該團隊提出了新型有源鈍化晶體管，實現(xiàn)了擊穿電壓大于1萬伏的增強型GaN基功率器件，在高達6500V工作電壓下實現(xiàn)了對動態(tài)電阻的抑制。這是國際上首次報道GaN基功率器件在2kV以上的低動態(tài)導通電阻特性，器件品質因數(shù)為國際報道最高值(IEDM, 2023, Sec.26-1； IEDM, 2024, Sec.25-3)。
 

圖3 萬伏級GaN晶體管SEM照片與測試結果
 

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委員會、科技部重點研發(fā)計劃、教育部、北京市等項目的資助以及北京大學寬禁帶半導體研究中心、微納/納米加工技術全國重點實驗室、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、國家集成電路產教融合創(chuàng)新平臺、集成電路高精尖創(chuàng)新中心等基地平臺的支持。