制造氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMTs）具有一定難度，這主要?dú)w因于材料本身以及制造工藝中的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖1展示了GaNHEMT的典型結(jié)構(gòu)。

圖1 GaN開關(guān)構(gòu)建在硅襯底上，其上形成了一個(gè)橫向二維電子氣（2DEG）通道，通道位于AlGaN/GaN異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)中，具有極高的電荷密度和電子遷移率。

異質(zhì)外延技術(shù)被用于GaN功率開關(guān)的制造工藝，使GaN晶體材料能夠在不同的導(dǎo)電晶體上生長。大多數(shù)GaN器件采用GaN-on-Si（硅基氮化鎵）技術(shù)進(jìn)行制造。采用GaN-on-Si技術(shù)的原因是硅材料豐富且成本低廉，并且硅晶圓可大規(guī)模供應(yīng)。硅基襯底為新一代GaN功率器件的生產(chǎn)提供了一個(gè)強(qiáng)大且可靠的解決方案。將GaN與硅襯底結(jié)合的GaN功率開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通電阻。

近年來，在大面積硅晶圓上生長純GaN材料的技術(shù)取得了重大進(jìn)展。這一技術(shù)結(jié)合CMOS工藝的發(fā)展，有助于制造出性能優(yōu)異且具有成本效益的混合型功率開關(guān)。

對于GaN HEMT，其源極與漏極之間形成一個(gè)電子通道所構(gòu)成的導(dǎo)電路徑。該導(dǎo)電通道內(nèi)的電子流可通過控制柵極與源極之間的電壓來調(diào)節(jié)。GaNHEMT在源極和漏極之間誘導(dǎo)出一個(gè)高電子遷移率通道，因此可以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性的漏源通道。

一層高電阻率的純氮化鎵為GaN晶體管提供了構(gòu)建基礎(chǔ)。在這層純氮化鎵和大尺寸襯底之間生長一層薄薄的氮化鋁（AlN），該氮化鋁層作為緩沖層，將純GaN材料與襯底隔離開。隨后，在純氮化鎵層頂部再生長一層薄的鋁鎵氮（AlGaN）層。AlGaN層由于其壓電特性會(huì)在物理上引起應(yīng)變，從而在兩層材料的界面處吸引電子形成所謂的二維電子氣（2DEG）層。這個(gè)界面層由于極高的電子遷移率和高電場強(qiáng)度，可以提供極低的導(dǎo)通電阻。

GaN功率開關(guān)的漏極和源極端口被放置在二維電子氣層之上，而柵極端口位于AlGaN層之上。為了獲得高耐壓的GaN功率開關(guān)，通常會(huì)增加漏極與柵極之間的距離。雖然該距離增加，但由于二維電子氣層的低電阻性，導(dǎo)通電阻不會(huì)受到明顯影響。關(guān)斷過程則通過耗盡二維電子氣層通道中的電子來實(shí)現(xiàn)。

氮化鎵材料與制造工藝的挑戰(zhàn)

首先是襯底方面的挑戰(zhàn)。雖然原生GaN襯底理想，但由于GaN熔點(diǎn)高、難以生長出大尺寸且高質(zhì)量的單晶，成本非常高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。因此，GaN通常在藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）或硅等異質(zhì)襯底上生長，而這些材料的晶格常數(shù)與GaN不匹配，容易產(chǎn)生缺陷，從而降低器件性能與可靠性。

第二，在GaN外延生長方面，特別是采用MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）方法時(shí)，需要非常高的溫度以及對氣體流量和純度的精確控制。這樣的生長條件提高了工藝復(fù)雜性、設(shè)備成本及成品率風(fēng)險(xiǎn)。

第三，即使是最優(yōu)質(zhì)的GaN外延層，其缺陷密度仍然高于硅材料。雖然GaN器件可以容忍部分缺陷，但過多的位錯(cuò)仍可能影響器件的可靠性和擊穿電壓。

第四，由于GaN器件的高功率密度，它們在較小區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。高效的熱管理較難實(shí)現(xiàn)，特別是在導(dǎo)熱性能較差的藍(lán)寶石或硅襯底上更是如此。

第五，GaN是一種硬質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的材料，使其難以通過傳統(tǒng)硅工藝進(jìn)行刻蝕和加工。柵極結(jié)構(gòu)形成與絕緣技術(shù)仍處于不斷開發(fā)階段，往往需要額外的工藝步驟。

第六，高頻高功率GaN器件對封裝技術(shù)提出了更高要求，需要特殊封裝以實(shí)現(xiàn)更好的散熱并減少寄生電感和電容。傳統(tǒng)的硅基封裝技術(shù)往往不適配GaN器件，導(dǎo)致產(chǎn)品成本和復(fù)雜度上升。

盡管存在上述挑戰(zhàn)，芯干線公司在GaN制造技術(shù)方面已有效應(yīng)對了這些關(guān)鍵難題。芯干線的GaNHEMT器件采用硅襯底，因?yàn)楣璩杀镜土揖A尺寸大。通過生長緩沖層（如AlN或漸變GaN層）逐步過渡晶格常數(shù)，從而減少位錯(cuò)。

芯干線公司還采用橫向外延生長（LEO）技術(shù)，在橫向跨越缺陷區(qū)域生長GaN，以降低位錯(cuò)密度。其GaN制造中采用感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕，并優(yōu)化化學(xué)刻蝕工藝，以實(shí)現(xiàn)更干凈、精準(zhǔn)的GaN圖形刻蝕。其p-GaN柵極技術(shù)使得器件實(shí)現(xiàn)常關(guān)型（增強(qiáng)型）工作模式，這對于功率電子應(yīng)用至關(guān)重要。低電感封裝技術(shù)也被采用，以降低高頻下的寄生效應(yīng)。

芯干線公司進(jìn)一步通過3D封裝與集成技術(shù)提升器件性能并減小體積，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與GaN器件在一個(gè)緊湊模塊中集成。

芯干線公司的一款代表性產(chǎn)品為XG045HB065G1，這是一款650VGaN嵌入式半橋模塊，集成了兩個(gè)GaNHEMT、兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè)高側(cè)柵極電壓轉(zhuǎn)換器。這種集成方案有助于簡化工程設(shè)計(jì)，縮小PCB面積，并減少功率半導(dǎo)體器件數(shù)量。

關(guān)于芯干線

芯干線科技是一家由功率半導(dǎo)體資深海歸博士、電源行業(yè)市場精英和一群有創(chuàng)業(yè)夢想的年輕專業(yè)人士所創(chuàng)建寬禁帶功率器件原廠。2022年被評(píng)為規(guī)模以上企業(yè)，2023年國家級(jí)科技型中小企業(yè)、國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，通過了ISO9001生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認(rèn)證。在2024年通過了IATF16949汽車級(jí)零部件生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認(rèn)證。

公司自成立以來，深耕于功率半導(dǎo)體Si MOS & IGBT、GaN HEMT、SiC MOS & SBD、IGBT 和 SiC Module等功率器件及模塊的研發(fā)和銷售。產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、光伏、儲(chǔ)能、汽車、Ai服務(wù)器、工業(yè)自動(dòng)化等能源電力轉(zhuǎn)換與應(yīng)用領(lǐng)域。

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