GaN功率器件的发展现状

摘要：首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首
选技术方案，GaN功率器件具有无可比拟的性能优势，通过采用价格低且口径大的Si衬底，
有望实 现与硅功率器件相当的价格。其次，简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现
状，市场空间很大， 除了专注GaN的新进公司外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷
涉足。随后，从材料、器件技术、 功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功
率器件的技术发展现状。最后，简要列举了部分 企业推出GaN功率器件产品的现状。
1 引言
近年来GaN功率器件已经成为了 学术界和工业界共同关注和着力研发的热点，特别是
Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子 应用中的首选技术方案，原因如下：
从理论上来讲，与硅类功率器件的性能相比，GaN功率器件 的性能具有十分明显的优
势。首先，转换效率很高，GaN的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿电场是硅1 0倍，因此，
同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了开关的 导通
损耗;其次，工作频率很高，GaN的电子渡越时间比硅低10倍，电子速度比在硅中高2倍以上，反向恢复时间基本可以忽略，因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至
少20倍 ，大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减
少铜等贵重原材料消耗 ，开关频率高还能减少开关损耗，进一步降低电源总的能耗;第三，
工作温度很高，GaN的禁带宽度高 达3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此理
论上GaN器件可以工作在800℃以上的 高温。
除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外，还有如下原因：首先，Si的价格低，具< br>有明显的价格优势;其次，通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN外延片，为GaN
功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三，大尺寸的GaN-on- Si晶圆可使用
已有的成熟的Si 工艺技术和设备，实现大批量的低成本的GaN器件制造;最后，S i基GaN
器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成，利于形成直接面对终端应用的功能性模块。
2 市场和行业发展现状
据YoleDeveloppement的报告“Power GaN 2012” [1]，GaN功率器件有 巨大的市场空间，
2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增 加8.1%，达
到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速 发展期，
到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。
目前，50%功率器 件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年
Infineon成为第一家引进 12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注
GaN的新进公司(如：EPC、T ransphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企
业也纷纷介入GaN功 率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有
曾做化合物 半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的
企 业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流 业
态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前， 对GaN功率器件企
业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展 8寸GaN-on-Si
外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN 功率器件，今年5月UK政
府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。

3 技术发展现状
3.1 GaN-on-Si材料
目前，4英寸和6英寸GaN-on- Si晶圆已经实现商用化，一些科研机构和公司相继报道
了8英寸GaN-on- Si晶圆的研究成果[2，3]。2012年新加坡IMRE报道了200mm
AlGaNGaN- on –Si(111)晶圆。同年，新加坡The Institute of Microelectronics 和荷兰NXP宣
布合作开发了200mm GaN-on-Si晶 圆及功率器件技术。比利时IMEC、美国IR、美国IQE、
日本Dowa和德国Azzurro等公 司也正在开发200mm GaN-on-Si外延技术。
现在4英寸及以上的大直径硅衬底上生 长GaN外延技术正在快速发展并终会走向成熟，
目前面临的主要问题如下：一是失配问题，硅衬底与G aN之间存在晶格常数失配、热膨胀
系数失配和晶体结构失配。二是极性问题，由于Si原子间形成的健 是纯共价键属非极性半
导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。三是硅衬底上Si原子的扩散问题 ，降低了外
延层的晶体质量。
3.2 器件技术
3.2.1提高击穿电压
理论上在相同击穿电压下，GaN功率器件比Si和SiC功率器件的导通电阻更低，但是
目前其性能远未达到理论值。研究发现主要原因是器件源漏间通过纵向贯通GaN缓冲层，
沿Si衬底与 GaN缓冲层界面形成了漏电[4]。因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在
以下三个方向： (1)改进衬底结构;(2)改进缓冲层结构;(3)改进器件结构。
3.2.2 实现增强型(常关型)器件
基于AlGaNGaN结构的器件是耗尽型(常开型)器件，而具有正 阈值电压的增强型(常关
型)功率器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等，是功 率系统中的
首选器件。因此，对于GaN功率器件而言，增强型器件实现也是研究者们极其关注的问题。
目前国际上多采用凹槽栅、p-GaN栅和氟离子注入等方法直接实现增强型，另外，使用
Ca scode级连技术间接实现常关型。
3.2.3 抑制电流崩塌效应
抑制电流崩 塌的方法主要有以下几种：(1)表面钝化，表面钝化的问题是钝化工艺比较
复杂，重复性较低，并不能 完全消除电流崩塌效应，对器件的栅极漏电流和截止频率有影响，
增加了器件的散热问题。(2)场板， 2011年，美国HRL用三场板结构结合SiN钝化，实现了
高耐压低动态电阻的Si基GaN功率器 件，开关速度5us测试状态下，器件350V时动态与
静态Ron之比1.2，600V时两者之比1 .6[5]。(3)生长冒层，如使用 p型GaN冒层来离化的
受主杂质形成负空间电荷层，屏蔽表面 势的波动对沟道电子的影响。该方法材料生长过程相
对简单，易控制，但是增加了工艺难度，如栅极制作 过程比较复杂。(4)势垒层掺杂，该方
法增加了沟道电子浓度，或者减少了势垒层表面态密度，一般此 种器件都生长了一薄层未掺
杂的GaN或AlGaN冒层。

3.2.4 制造工艺
GaN功率器件制造工艺与现有Si制造工艺兼容，是促进GaN功率器件产业化和广泛 应
用一个重要因素。开发与现有Si制造工艺兼容的GaN功率器件制造工艺的关键在于开发无
金工艺。2012年，在ISPSD年会上IMEC报道了在8英寸GaN-on-Si晶圆上通过CMOS兼< br>容无金工艺结合凹栅工艺制造的增强型GaN功率晶体管[6]。2012年，在ISPSD年会上
IMB-CNM-CSIC报道了在4英寸Si上使用CMOS兼容无金工艺制作了MIS-HEMT和
i-HEMT[7]。开发无金工艺最近几年受到了学术界和工业界的极大关注，是降低成本以实现
大 批量生产和大规模商业化应用的重要途径。
3.3 功率集成技术
形成独立且完整 的包括GaN功率核心器件、器件驱动、保护电路和周边无源器件在内
的直接面对终端应用的功能性模块 ，是目前GaN功率器件的发展方向。高度集成化的GaN
智能功率集成技术将实现传统Si功率芯片技 术所达不到的高性能、高工作安全性、高速和
高温承受能力。在发展GaN功率器件技术的基础上，开发 功率集成技术正逐渐成为近年来
GaN研究领域的另一个热点。2008年，美国IR公司发布了基于S i衬底的GaN POL转换器，
输入电压12V，12A的负载电流时输出电压1.2V，工作频率6 MHz。2009年，美国MIT报
道了利用晶片键合和选择性刻蚀制备出Si-GaN-Si晶片 [8]。2009年，陈万军等人报道了
GaN-on-Si开关模式Boost转换器，K Y Wo ng等人成功实现了高压功率器件和外围低压器
件的单片集成[9]。2010年，Transphor m发布了分别基于AlGaNGaN-on-Si和Si Sj-MOSFET
的800KHz 220-400V Boost转换器。
3.4 可靠性
随着各项器件技术的不断 进步，GaN器件已逐渐从实验室向工业界转移，可靠性已成
为各界普遍关心的问题。相对于硅功率器件 技术，GaN功率器件的可靠性和稳定性研究还
相对滞后，器件退化规律、失效机制与模式、增强可靠性 方法等虽有一些研究报告，但远不
能满足器件走向大规模实际应用阶段的需要。
影响Ga N功率器件可靠性的原因比较复杂，包括材料质量、器件结构和器件工艺等多
个方面，根据功率器件的工 作模式特点和工作环境，GaN功率器件的可靠性研究重点主要
包括以下几点：(1)栅泄漏电流与表面 状态;(2)栅金属退化;(3)高电场和高温下热电子热声子
效应;(4)材料质量。
4 产品相继推出
随着GaN功率器件的成本降低、电气特性提高和周边技术的扩充，利用GaN 功率器件
的环境目前正在迅速形成，从2011年下半年至今已有很多企业相继推出了产品，并开始供< br>货GaN功率器件，利用该器件的周边技术也越来越完善。
美国EPC：2012年之前推 出了耐压(40-200)V的系列产品;2013年5月EPC发布了开发
板EPC9004，该板使 用了200V的eGaN器件EPC2012，已开始供货;2013年6月EPC 发布
了降压变换器 演示板EPC9107，该演示板使用了eGaN器件EPC2015和TI的栅驱动LM5113，
已 开始样品供货。美国Transphorm：在2012年发布了耐压600V的GaN类功率二级管、功

率晶体管和功率模块;2013年5月，产品TPH3006PS、 TPH3006PD、T PS3410PK和
TPS3411PK已开始销售，把通过JEDEC标准的600V的GaN晶体管 TPH3006PS用于电源
设计，电源效率达97.5%。日本Fujitsu：2012年11月发 布成功实现2.5KW的基于GaN功
率器件的服务器电源单元;2013年7月展出了耐压30V、1 50V和600V三款Si基GaN功率
器件，已开始样品供货，同时展出了采用600V耐压产品的服 务器电源试制品。
虽然GaN功率器件的实际性能与理论上的性能还存在差距，但就目前器件及其 功能电
路的测试结果来看，相比传统Si技术已具备十分明显的性能优势，随着GaN功率器件的材料质量、器件技术、功率集成技术和可靠性的逐渐成熟，GaN功率器件很有可能取代Si功
率器件 ，成为功率电子应用中的首选技术方案。