氮化镓功率器件的工艺技术说明

【摘要】氮化镓功率器件与硅基功率器件的特性不同本质是外延结构的不同，本文通过深入对比氮化镓HEMT与硅基MOS管的外延结构，再对增强型和耗尽型的氮化镓HEMT结构进行对比，总结结构不同决定的部分特性。此外，对氮化镓功率器件的外延工艺以及功率器件的工艺进行描述，加深对氮化镓功率器件的工艺技术理解。在理解氮化镓功率器件结构和工艺的基础上，对不同半导体材料的特性、不同衬底材料的氮化镓HEMT进行对比说明。

一、器件结构与制造工艺

（一）器件结构对比

GaN HEMT是基于AlGaN/GaN异质结，目前市面上还未出现GaN的MOSFET，主要是因为同质GaN成本太高，一般采用Si或者SiC作为异质衬底，异质衬底就需要在衬底上生长一层缓冲层（AlN），而缓冲层是绝缘的，因此目前的GaN器件还没有MOSFET结构。

1、氮化镓HEMT与硅LDMOS的结构对比

图 1 GaN HEMT（增强型）    VS         硅LDMOS结构

从结构看，氮化镓功率器件和硅LDMOS都是横向结构，即他们的源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）都在芯片的上表面。同时为了让电场分布更加均匀，他们都使用了场板的设计。不同之处在于氮化镓是化合物半导体外延，通过异质结形成高电子迁移率的二维电子气沟道（2DEG）。而硅LDMOS是在硅外延层上进行掺杂形成P-N结。

2、氮化镓功率器件的结构

氮化镓功率器件的外延结构可分为D-mode（Depletion-mode/耗尽型）和E-mode（Enhance-mode/增强型）。因为材料的极化特性，耗尽型是GaN功率器件的自然状态，增强型只能通过特殊工艺将其阈值电压从负值变成正值来实现。

图 2 E-Mode（增强型） GaN HEMT   VS  D-Mode（耗尽型） GaN HEMT

目前主要用来制备增强型器件的方案包括：p型栅、凹槽栅、F处理。如上图所示，P-GaN栅结构是实现增强型GaN HEMT的方案之一。本质是通过降低栅下2DEG的电子密度等，实现对栅压的控制，将阈值电压提高到正。

（1）D-mode/耗尽型结构

D-mode为常开型器件，在通常状态下（栅源极电压VGS=0），漏极和源极之间已存在2DEG，器件呈导通状态；当栅源极电压VGS<0时，漏、源极之间的2DEG断开，器件截止。在电力电子应用中，常开的器件在使用上不便且有安全方面的问题，因此D-mode氮化镓HEMT器件在应用中，经常级联/串联低压硅MOS一起使用，如下图所示。

 

图 3 共源共栅GaN HEMT

D-mode氮化镓功率器件和低压MOSFET串联，共用栅极和源极，形成常关器件。

（2）E-mode/增强型

E-mode（Enhance-mode/增强型）为常关型，使用方式类似传统硅MOS，器件结构简单，适合高频化应用，增强型器件不需要负电压供电，实际应用中的氮化镓功率器件都需要是常关型的器件。

目前主流的增强型器件使用的P-GaN的工艺结构，这种工艺结构带来两类技术路线，对应两种商业模式。一类是以松下和英飞凌为代表的电流控制型。所谓电流控制，指的是门级驱动使用电流，而不是电压来控制。另外一类则是和硅MOS管以及碳化硅MOS管一样，使用门级电压驱动。

表 1 主流增强型P-GaN工艺结构的两种技术路线



 图 4  电压驱动 VS 电流驱动曲线

3、基本特性总结

因为结构的不同，氮化镓功率器件和硅基功率器件有区别于硅基器件的特性。  

（1）氮化镓功率器件标准：650V

氮化镓功率器件的技术路线一般是650V，因为对于很多电源领域的应用，需要接入220V市电，母线电容上的电压在输入交流电压整流以后得到大约400V直流电压，再加上电压尖峰和部分拓扑结构应用中副边反射回来的电压，650V就成了一个标准的电压要求。  

（2）没有雪崩击穿

没有雪崩击穿，一旦击穿，就是永久性的，类似于电容里面的介质击穿。对于650V的器件而言，如果是硅MOS管，一般实际击穿电压大约在750V左右（设计裕量10%），而氮化镓器件需要提供更高的电压设计裕量，650V器件至少需要900V以上的击穿电压（设计裕量>10%）。  

（3）没有p型氮化镓管

硅基有NMOS（电子载流子）和PMOS（空穴载流子），但目前还没有p型GaN HEMT，因此模拟/数字IC的设计与硅不同。没有p型氮化镓管的原因主要是：首先，离子注入和镁离子低温退火在GaN上难以实现；其次，GaN的空穴迁移率只有30cm2/Vs，远低于2000cm2/Vs的电子迁移率。  

（4）门级电压7V

氮化镓的工艺决定，氮化镓功率器件的最大门级电压被限制在了7V，且于现有的硅驱动IC不兼容。  

（二）器件工艺技术

氮化镓功率器件和硅基芯片一样，制造环节主要包括设计和外延片生长、芯片制造和封装测试。   

表 2 氮化镓功率器件一般制造环节        

1、设计阶段

氮化镓一般通过TCAD（计算机辅助设计技术）仿真，对结构和参数进行模拟仿真。  

2、外延片制造流程

氮化镓外延片可在硅衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底上进行生长，从成本和大批量生产考虑，外延的每一层的沉积一般采用MOCVD（金属氧化物化学气相沉积）。  



图 5 氮化镓外延片制造流程  

3、器件制造流程

下图是蓝宝石衬底耗尽型氮化镓HEMT器件制造的简化流程，硅基衬底的氮化镓HEMT器件工艺流程类似。  

第一步是第一张光罩，是做平台型的隔离蚀刻；第二步，第二张光罩定义了源极和漏极；第三步是沉积源极和漏极的金属；第四步是玻璃和退火，形成源极和漏极金属；第五步，用第三张光罩来定义门极；第六步是做门极金属沉积；第七步是金属剥离，以形成门极金属；第八步是沉积氮化硅实现钝化和保护；第九步是使用第四张光罩来定义源极和漏极的接触；第十步是利用第五张光罩来定义场板；第十一步是金属剥离来形成场板，第十二部是沉积第二层氮化硅钝化层。  



图 6 蓝宝石衬底的D-mode 氮化镓HEMT工艺制造流程  

4、CP测试

CP测试主要是通过测试室温和高温两种环境下的多种参数，来识别出晶圆上失效的芯片颗粒，并进行染色标注，不再进行后续的封装。  

 

图 7 CP测试（红色为失效芯片位置）

 

5、封装

 

图 8 简化的封装步骤  

6、FT/测试

FT（Final test）是发货前的最后一道测试，一般会在室温和高温两种环境下对器件进行测试，测试的参数主要包括Idss、Vth、Rdson以及BV（击穿电压）等。  

二、器件的材料对比

（一）半导体材料特性对比

禁带宽度在2.2eV以上的半导体称为宽禁带半导体（第三代半导体）。

   

表 4 半导体材料的特性对比  

禁带宽度：硅的禁带宽度为1.1eV，低于氮化镓和碳化硅几乎三倍。因此，氮化镓和碳化硅可以轻松支持更高电压的电路，而不能像硅一样支持较低电压的电路。  

击穿电场：氮化镓和碳化硅的击穿电场是硅基的10倍以上，高击穿场使氮化镓和碳化硅能够轻松应对更高的电压。  

电子迁移率：氮化镓的电子迁移率比碳化硅要高三倍，氮化镓HEMT更适合高频应用。  

热导率：氮化镓的热导率为1.3 W/cmK(瓦特/厘米开尔文)，还不及硅的，而碳化硅的热导率最优，在传递热负荷方面优于氮化镓和硅三倍。这种散热性能使碳化硅在高功率和高温应用中具备极大的优势。  

（二）衬底材料的Ga HEMT对比

 

表 5 不同衬底材料的GaN HEMT参数对比

因为氮化镓HEMT结构是外延结构，衬底可使用不同的材料。  

附件：器件结构简介

为了更方便理解正文提及的器件结构概念，就常见的各类器件结构的缩写进行简单描述。  

MOSFET：金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种电压控制器件。MOSFET有两种类型，“p沟道”和“n沟道”，这两种类型都可以处于增强或耗尽模式，因此共有四种不同类型的MOSFET。  

BJT（Bipolar Junction Transistor）：双极性结型晶体管，俗称三极管，一种电流驱动器件，有PNP和NPN两种类型，广泛用作放大器、振荡器或开关等。  

HEMT（High Electron Mobility Transistors）：高电子迁移率晶体管。  

pHEMT：伪形态高电子迁移率晶体管，“p”代表伪同态。  

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）：绝缘栅双极型晶体管，IGBT是由MOS和PN两个基本单元构成。  

HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）：异质结双极晶体管。  

Triacs：三端双向可控硅。   Thyristor：半导体闸流管。  

LDMOS（Lateral Diffused）：横向扩散金属氧化物半导体，是高频大功率器件。LDMOS初期主要面向移动电话基站的RF功率放大器。  

CMOS（complementary MOSFET）：互补型MOSFET，由NMOS和PMOS组成，是集成电路的基础单元

审核编辑：刘清