矽基氮化镓阻断电压的提升方法介绍

　　GaN 高电子迁移率场效应电晶体（HEMTs）元件正处於电力电子业革命性改变的边缘上，而这要感谢它们所具备将元件的效能提升到一个新水平的能力。它们极大的希望已经广泛地刺激了学术界和工业界对於功率切换应用之电晶体的发展，而且其具有一组令人印象刻的特性：超过 2W/mm 的功率密度；能够连续流通 10A 以上电流的能力；以及非常高的逆向崩溃阻断电压，通常能够超过 1kV。这些电晶体的原型已经能够在蓝宝石（sapphire）、碳化矽（SiC）与矽基板上实现，而这三个平台各具有不同的优点和缺点。

　　在元件开发上所做的努力已经预告了在技术上当之无愧的成果，但GaN仍尚未取得重大的商业化应用。这情况有很多种解释，而且这些解释往往围绕在其认为 GaN 二极体和电晶体可产生令人印象深刻的结果，但它们比其矽晶材料的竞争对手要更为昂贵。或者是不怀好意地表示，它们并不会比现有技术还来得划算。

　　这解释了今天的应用市场上所发生的事情。在这个竞争舞台上，GaN产品的有限成功，则可以说明被广泛使用的口头禅：一旦应用所需的最低效能能够达成时，则最便宜的解决方案将取得胜利。因此，为了让以GaN为基础的产品能够在更广阔的市场中实现其全部潜力，则有两个改变必须要能够发生：材料成本必须大幅下降；而且元件制造厂必须将目标放在无法被基於矽晶技术等较低成本的竞争技术所解决的应用上。

　　如何压低GaN元件成本的路线之一，包括了将其制作在矽材料上并且在矽晶生产线上进行处理。美国能源部（DoE）的研究人员也赞同此观点，他们资助了一个计划以进行研究，并期望最终能将矽基碳化镓（GaN-on-silicon）的功率元件技术商品化。我们都参与其中，而且汇集了来自麻省理工学院、麻省理工学院林肯实验室、M/A-COM Technology Solutions公司，以及最近的 Kopin 公司等专家们。

　　我们对於这个计划的目标是要将GaN-on-silicon电晶体、二极体和单晶整合（monolithic）电路的阻断电压提高至超过5kV，并将电流承载能力提高至10A以上。我们已经成功地位於满足此一目标的道路上，因为我们已经将阻断电压提高至超过2kV且其电流处理能力也大於10A。这些成就是源於聚焦在材料、元件设计和基础制程问题上所做的努力。

　　从过去所学习到的教训

　　为了要了解目前GaN市场的情况，先对GaAs元件在微波领域中的演进有一些了解是会有所帮助的。在早期时候，缺乏商品化的高品质GaAs磊晶（epitaxy）材料限制了基於GaAs元件的广泛应用。在当时─1970年代晚期和1980年代早期─很多公司基本上是完全依赖於自己内部所生产的 GaAs 磊晶晶圆，而整体市场通常也局限於小批量、政府资助的应用上。但这种情况在1980年代中期，因为有了许多能够提供高品质GaAs磊晶晶圆的供应商之後而有了完全的改变，而且蜂巢式行动电话技术的商业化，也提供了一个矽材料技术所无法处理的市场。这些市场条件催生了相对低成本、高产量之操作於无线电频率的GaAs元件之指数性成长的技术蓝图。

　　这些GaAs市场的趋势可以反映在GaN功率元件的领域上。我们的观点认为这些宽能隙（bandgap）元件只有在矽基板上制造时，才能具备相对於现有技术的成本竞争力，矽基板的成本是相对便宜的，而其晶圆尺寸可大至 300mm，并且可在现有的高产量矽晶圆代工厂的生产线上制造。当GaN功率元件产业往此方向转向时，GaN-on-silicon晶圆的商业供应商数量将增加，而且他们的竞争将会在其产量起飞时推动价格下降。

　　我们不指望在SiC基板上所制造的GaN和SiC元件的市场会以同样的方式发展。这有部份是因为磊晶晶圆成品的制造供应商数目较少，而且只比屈指可数的SiC基板制造厂还稍微多一点而已。更重要的是，SiC基板的成本始终是远高於矽基板，这是因为这两种材料在晶体成长上的基本差异。SiC的成长是在2100℃下发生，比矽基板的温度还高600℃，而且由物理定律得知，其成长速度会比矽还慢了高达三个数量级。