浅谈氮化镓器件的制造难点

制造氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有一定难度，这主要归因于材料本身以及制造工艺中的多项挑战。

图1展示了GaNHEMT的典型结构。

图1 GaN开关构建在硅衬底上，其上形成了一个横向二维电子气（2DEG）通道，通道位于AlGaN/GaN异质外延结构中，具有极高的电荷密度和电子迁移率。

异质外延技术被用于GaN功率开关的制造工艺，使GaN晶体材料能够在不同的导电晶体上生长。大多数GaN器件采用GaN-on-Si（硅基氮化镓）技术进行制造。采用GaN-on-Si技术的原因是硅材料丰富且成本低廉，并且硅晶圆可大规模供应。硅基衬底为新一代GaN功率器件的生产提供了一个强大且可靠的解决方案。将GaN与硅衬底结合的GaN功率开关能够实现低导通电阻。

近年来，在大面积硅晶圆上生长纯GaN材料的技术取得了重大进展。这一技术结合CMOS工艺的发展，有助于制造出性能优异且具有成本效益的混合型功率开关。

对于GaN HEMT，其源极与漏极之间形成一个电子通道所构成的导电路径。该导电通道内的电子流可通过控制栅极与源极之间的电压来调节。GaNHEMT在源极和漏极之间诱导出一个高电子迁移率通道，因此可以实现高导电性的漏源通道。

一层高电阻率的纯氮化镓为GaN晶体管提供了构建基础。在这层纯氮化镓和大尺寸衬底之间生长一层薄薄的氮化铝（AlN），该氮化铝层作为缓冲层，将纯GaN材料与衬底隔离开。随后，在纯氮化镓层顶部再生长一层薄的铝镓氮（AlGaN）层。AlGaN层由于其压电特性会在物理上引起应变，从而在两层材料的界面处吸引电子形成所谓的二维电子气（2DEG）层。这个界面层由于极高的电子迁移率和高电场强度，可以提供极低的导通电阻。

GaN功率开关的漏极和源极端口被放置在二维电子气层之上，而栅极端口位于AlGaN层之上。为了获得高耐压的GaN功率开关，通常会增加漏极与栅极之间的距离。虽然该距离增加，但由于二维电子气层的低电阻性，导通电阻不会受到明显影响。关断过程则通过耗尽二维电子气层通道中的电子来实现。

氮化镓材料与制造工艺的挑战

首先是衬底方面的挑战。虽然原生GaN衬底理想，但由于GaN熔点高、难以生长出大尺寸且高质量的单晶，成本非常高，难以实现规模化生产。因此，GaN通常在蓝宝石、碳化硅（SiC）或硅等异质衬底上生长，而这些材料的晶格常数与GaN不匹配，容易产生缺陷，从而降低器件性能与可靠性。

第二，在GaN外延生长方面，特别是采用MOCVD（金属有机化学气相沉积）方法时，需要非常高的温度以及对气体流量和纯度的精确控制。这样的生长条件提高了工艺复杂性、设备成本及成品率风险。

第三，即使是最优质的GaN外延层，其缺陷密度仍然高于硅材料。虽然GaN器件可以容忍部分缺陷，但过多的位错仍可能影响器件的可靠性和击穿电压。

第四，由于GaN器件的高功率密度，它们在较小区域内会产生大量热量。高效的热管理较难实现，特别是在导热性能较差的蓝宝石或硅衬底上更是如此。

第五，GaN是一种硬质、化学稳定性强的材料，使其难以通过传统硅工艺进行刻蚀和加工。栅极结构形成与绝缘技术仍处于不断开发阶段，往往需要额外的工艺步骤。

第六，高频高功率GaN器件对封装技术提出了更高要求，需要特殊封装以实现更好的散热并减少寄生电感和电容。传统的硅基封装技术往往不适配GaN器件，导致产品成本和复杂度上升。

尽管存在上述挑战，芯干线公司在GaN制造技术方面已有效应对了这些关键难题。芯干线的GaNHEMT器件采用硅衬底，因为硅成本低廉且晶圆尺寸大。通过生长缓冲层（如AlN或渐变GaN层）逐步过渡晶格常数，从而减少位错。

芯干线公司还采用横向外延生长（LEO）技术，在横向跨越缺陷区域生长GaN，以降低位错密度。其GaN制造中采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，并优化化学刻蚀工艺，以实现更干净、精准的GaN图形刻蚀。其p-GaN栅极技术使得器件实现常关型（增强型）工作模式，这对于功率电子应用至关重要。低电感封装技术也被采用，以降低高频下的寄生效应。

芯干线公司进一步通过3D封装与集成技术提升器件性能并减小体积，实现驱动器与GaN器件在一个紧凑模块中集成。

芯干线公司的一款代表性产品为XG045HB065G1，这是一款650VGaN嵌入式半桥模块，集成了两个GaNHEMT、两个栅极驱动器以及一个高侧栅极电压转换器。这种集成方案有助于简化工程设计，缩小PCB面积，并减少功率半导体器件数量。

关于芯干线

芯干线科技是一家由功率半导体资深海归博士、电源行业市场精英和一群有创业梦想的年轻专业人士所创建宽禁带功率器件原厂。2022年被评为规模以上企业，2023年国家级科技型中小企业、国家级高新技术企业，通过了ISO9001生产质量管理体系认证。在2024年通过了IATF16949汽车级零部件生产质量管理体系认证。

公司自成立以来，深耕于功率半导体Si MOS & IGBT、GaN HEMT、SiC MOS & SBD、IGBT 和 SiC Module等功率器件及模块的研发和销售。产品被广泛应用于消费、光伏、储能、汽车、Ai服务器、工业自动化等能源电力转换与应用领域。

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