基于p型栅的常关型GaN基电力电子器件关键技术

成果编号：28307

价格：50

完成单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

单位类别：中国科学院系统院所

完成时间：2020年

成熟程度：试生产阶段

服务产业领域：电子信息

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发布人：受理处在线

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当今世界，电力能源的消耗日益增大，提高电能的利用效率成为实现经济可持续发展的关键之一。从电能的产生，变配电系统的再输出，到高压输电，最后降压至终端客户，电能必须经过一系列AC/DC、DC/DC等转换过程。在整个过程中，半导体电力电子器件作为核心部件，对电能进行有效控制、管理。因此，研制高效的电力电子器件以降低电能在各变换、传输环节以及电力设备运行过程中的损耗，具有重要的作用和现实意义，并且已成为解决当前电能利用问题的重中之中，也是全球绿色经济发展趋势的必然要求。由于氮化镓（GaN）半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度、高热导率、化学性质稳定等显著特点，使其成为制备高耐压、高功率电子器件的理想半导体材料。在此背景下，并结合团队在硅基GaN材料及电子器件方面的前期研发基础，本项目目标定位于研制基于p型栅的高性能硅基氮化镓（GaN）常关型高电子迁移率晶体管（p-GaN Gated Enhancement-mode High-electron-mobility Transistor, p-GaN E-HEMT）。该类型器件由于在可靠性方面具备显著优势，故具有良好的商用化前景，未来应用于下游各类拓扑结构的电源转换电路，可以实现高效的电源管理。针对上述目标，本项目从外延结构设计、材料外延生长技术开发、器件工艺制备技术开发三方面展开实质性研发工作，采用凹槽栅与p-GaN整片二次外延相结合的技术方案，在解决多个关键工艺问题基础上，成功研制了出高性能p-GaN E-HEMT，突破目前常规p-GaN栅技术无法兼顾器件关态与导通特性的核心难题，全面完成项目指标。本项目完成后，在高性能GaN基电力电子器件制备方面积累了较为深厚的技术储备，为今后进一步实现GaN基电力电子器件在电源转换电路中的可靠应用，从而推动其产业化奠定了坚实的技术基础。

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成果介绍

科技计划：国家级：省部级：江苏省重点研发计划“产业前瞻与共性关键技术——竞争项目”

成果形式：新技术、新工艺、新产品、新材料

合作方式：技术转让、技术入股

参与活动：

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 5 项
已授权专利,其中:发明专利 4 项
专利号:
201510822198.6
201510589835.X
201510076931.4

成果简介

综合介绍

创新要点

本项目主要在以下三个方面做出了研究和创新工作： 1. 基于p-GaN二次外延的常关型电力电子器件外延结构设计，获得兼具高关态、高导通特性的材料结构。本项目以具有厚势垒层AlGaN的异质结为有源区，通过槽栅刻蚀工艺进一步形成栅极局部区域薄势垒层，并结合p-GaN整片二次外延与非栅极区域p-GaN刻蚀自终止技术，构筑兼具高关态性能（凹槽栅区域为薄势垒层）、高导通特性（非凹槽栅区域为厚势垒层）的外延结构。为实现两方面同时优化，本项目对核心异质结进行了模拟设计，并最终确定了凹槽栅区域势垒层、非栅极区域势垒层的厚度、Al组分，以及p-GaN厚度、Mg掺杂浓度。 2. 面向GaN基常关型电力电子器件的p-GaN二次外延技术研发，开发高质量p-GaN二次外延工艺。本项目采用凹槽栅刻蚀与二次外延p-GaN相结合的技术路线，旨在突破常规方法无法兼顾器件关态性能和导通特性的难题。为实现高质量p-GaN二次外延，本项目对其中关键技术进行了深入研究，包括二次外延前道工艺、二次外延界面控制、Mg掺杂调控工艺优化等，最终获得了理想的二次外延p-GaN。 3. 基于p-GaN二次外延的常关型电力电子器件工艺制备技术开发，开发兼容于二次外延的器件工艺方案。本项目采用不同于常规方法的技术路线，p-GaN通过二次外延形成，且栅极区域与非栅极区域的AlGaN势垒层厚度不同，故而器件制备方法具有其自身的特殊性。因此，本项目重点开发了具有兼容性的关键工艺技术，包括：复合钝化层技术、低温欧姆接触、 p-GaN刻蚀损伤修复等，最终制备出高性能基于p-GaN栅极常关型电力电子器件。

技术指标

本项目完成后，全面实现合同中的各项技术指标，并获得了第三方测试报告。主要技术指标如下：  6英寸硅基GaN双晶摇摆曲线 (002) = 338.4 arcsec，(102) = 327.6 arcsec  电子迁移率达到 1940 cm2/V·s  方阻达到 347 Ω/□  器件击穿电压达到705 V  器件阈值电压达到+ 2.1 V  器件击穿电压达到705 V  器件饱和电流达到600 mA/mm  器件开关比达到5×1010

其他说明

本项目合作方式可“技术转让”、“技术入股”等，具体方式可详谈。

完成人信息

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