中国粉体网讯 氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的代表之一，拥有宽禁带、高击穿场强、高热导率和高电子漂移速率等优点。制备出的氮化镓器件导通电阻小、电子迁移率高、热导性好，而且在散热、能耗、体积等方面也有着很大的优势，不仅能够极大地提升新兴电力电子器件的性能，还能达到节省能源的效果。此外，氮化镓材料在低、中、高压下都有着很多的应用场景，适用范围十分广泛。
高质量的GaN单晶材料，是制备高性能器件的基础
高质量的GaN单晶材料是制备高性能器件的基础，也是根本保障。获得高质量GaN外延层的最佳方案就是同质外延，即在块状GaN衬底上外延生长GaN层。目前，GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延和液相外延。
气相外延包括金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）及其衍生方法，特点在于生产速率快、尺寸大，但晶体质量有待提高，产品一致性较差。
液相外延主要采用氨热法和助溶剂法，其特点是可制备高纯度、高晶体质量且重复性高的GaN单晶衬底，但是对设备的要求高，并且生长速率较低。
在商业应用中，较低成本的HVPE法应用最广泛也最成熟，并且随着改良，与氨热法和钠助熔剂法结合，生产的GaN单晶衬底的位错密度在不断降低，晶圆尺寸在逐渐增大，制备成本也在不断地降低。
HVPE法生产出的GaN是未掺杂的，其载流子浓度只有1016~1017/cm3，难以用于半导体器件的制备，需针对不同的器件引入不同的掺杂剂，从而改变GaN的电学性质。其中，浅施主掺杂剂有硅和锗，浅受主掺杂剂有镁，深能级掺杂剂有铁和碳，可分别实现GaN的N型、P型和半绝缘电特性，再加上高纯半绝缘GaN的发展，可以有效提高器件的耐压能力，从而满足各种器件的要求。
高质量单晶GaN衬底，推动GaN-on-GaN器件的兴起
目前GaN器件主要有两种技术路线，平面型与垂直型。
平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等。早期高质量单晶GaN衬底难以实现，成本比较高，只能通过非本征衬底上生长异质外延GaN，由于衬底外延界面早期难以实现导通，因此利用异质结的平面型GaN器件逐渐成为了主流。
不同衬底材料特性比较（来源：孙涛，《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》）
在上述非本征衬底中，Sapphire衬底制备技术成熟，价格低廉，化学稳定性好，高温热稳定性好，能够支持的衬底尺寸大。Sapphire衬底在GaN基LED和半导体照明应用上处于主导地位，但其热导率低，在功率半导体的应用上对散热设计提出了更高的要求。
SiC衬底与GaN的失配率低，在SiC衬底上可以获得高质量的GaN基半导体，并拥有出色的导热性能。但是，SiC衬底的制备成本较高，限制了其在GaN功率器件领域的应用。
综合成本、技术难度及工艺兼容等因素，Si衬底的GaN外延材料更适合功率器件领域。Si基GaN的优势是制备技术工艺成熟、衬底尺寸大、晶体质量高以及与Si基集成电路制造工艺兼容。其问题是晶格失配率高达17%，导致GaN-on-Si的位错密度和应力大于SiC衬底，这会影响器件的可靠性。
近年来，随着高质量单晶GaN衬底的商业化，与垂直型Si或SiC电力电子器件结构相近的垂直型GaN（GaN-on-GaN）器件得到快速发展，并逐步由实验室研究迈向产业化，将具有更大的潜力发挥GaN材料的优势并提升器件性能。美国、欧洲、日本等国家和地区相继发起多项垂直型GaN-on-GaN器件的研发项目。2017年，中国科技部也启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”重点研发计划以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN-on-GaN功率器件的发展。
（a）平面型GaN-on-Si与（b）垂直型GaN-on-GaN器件的典型结构（来源：韩绍文，《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管研究》）
以功率二极管为起始，推动我国GaN-on-GaN器件的发展
与平面结构GaN器件相比，垂直结构GaN器件拥有更多的优势：
（1）电流通道在体内，不易受器件表面陷阱态的影响，动态特性较为稳定；
（2）垂直结构器件可在不增加器件面积的前提下通过增加漂移区厚度直接提升耐压，因此与横向结构相比更易于实现高的击穿电压；
（3）电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度；
（4）由于电流在器件内部更为均匀，器件的热稳定性佳；
（5）垂直结构器件易于实现雪崩特性，在工业应用中优势明显。
垂直型GaN器件主要包括垂直型GaN晶体管与垂直型GaN二极管。
依托在半导体领域的技术积累和巨大优势，经过数年在垂直型GaN-on-GaN功率器件领域的研发投入，以美国、日本为代表的国家和地区取得了丰硕的成果，已成功研制出多种垂直型GaN-on-GaN功率晶体管与功率二极管。
中国在垂直型GaN-on-GaN器件方向的研究起步较晚，技术储备不足，和国外存在明显差距。目前仅有北京大学、浙江大学、深圳大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等少数几家单位成功研制垂直型GaN-on-GaN功率器件，且主要为垂直型GaN-on-GaN功率二极管。由于功率二极管结构及工艺相对简单，且作为电力电子电路中不可或缺的基础器件，非常适宜在新型垂直型GaN-on-GaN器件发展的初期作为工艺开发、技术探索与机制分析的主要研究对象。
新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管能够从根本上突破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的限制，更大程度地发挥GaN材料本身的优势，有望成为高压、高效、快速的电力电子系统发展的新方向，尤其是当前高质量本征GaN衬底技术的日趋成熟将有望为这一领域开启新的篇章。
垂直型GaN-on-GaN二极管的技术难点（来源：韩绍文，《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管研究》）
然而，作为电力电子技术的一个新兴研究热点，纵观垂直型GaN-on-GaN功率二极管的最新发展，相关研究尚处于起步阶段，仍然存在诸多关键技术挑战。
参考资料：
1、韩绍文，《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管研究》
2、李博等，《垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况》
3、孙涛，《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》
4、徐嘉悦，《GaN垂直结构器件结终端设计》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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