氮化镓（GaN）器件的结构和制造工艺

2023-09-09 186

3. 基本特征总结

由于结构差异，GaN功率器件与硅基器件相比具有不同的特性。

(1) 标准电压：650V

GaN功率器件的典型电压为650V。在许多电源应用中，输入连接到 220V 交流电源。整流后，母线电容上的电压达到约400V DC。此外，在某些拓扑应用中，还存在电压尖峰和来自次级侧的反射。因此，650V已成为标准电压要求。

(2) 无雪崩击穿

GaN 功率器件不会出现雪崩击穿。一旦发生击穿，它就是永久性的，类似于电容器的介电击穿。对于650V器件，如果是硅MOSFET，实际击穿电压通常在750V左右（设计裕度为10%）。然而，GaN器件需要更高的击穿电压设计裕度。 650V 器件需要至少 900V 的击穿电压（设计裕度 >10%）。

(3) 无p型GaN晶体管

在硅基技术中，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的设计与硅基不同。缺乏p型GaN晶体管的主要原因是：首先，在GaN上难以实现镁离子的离子注入和低温退火；其次，GaN的空穴迁移率仅为30cm2/Vs，远低于2000cm2/Vs的电子迁移率。

(4) 栅极电压：7V

由于GaN工艺的原因，GaN功率器件的最大栅极电压被限制在7V，这与现有的硅驱动IC不兼容。

器件工艺技术

GaN功率器件与硅基芯片一样，经历相似的制造工艺，主要包括设计、外延片生长、芯片制造和封装测试。

图 4：GaN 功率器件的典型制造步骤

1. 设计阶段

GaN 器件通常在设计阶段使用 TCAD（技术计算机辅助设计）技术进行模拟和建模。这涉及到模拟和分析设备的结构和参数。

2. 外延片制造工艺

GaN外延片可以生长在硅衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底上。出于成本和批量生产的考虑，外延片中各层的沉积通常使用MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术来进行。

图5：GaN外延片制造工艺

3. 器件制造工艺

下图显示了在蓝宝石衬底上制造耗尽型 GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的简化工艺流程。硅衬底上的 GaN HEMT 器件的工艺流程类似。

第一步涉及使用第一掩模进行平台型隔离蚀刻。第二步骤利用第二掩模来限定源极区和漏极区。第三步涉及源极和漏极的金属沉积。第四步包括玻璃沉积和退火以形成源极和漏极金属区域。第五步使用第三掩模来限定栅极区域。第六步涉及栅极金属的沉积。第七步需要金属剥离以形成栅极金属。第八步涉及沉积氮化硅以进行钝化和保护。第九步骤利用第四掩模来限定源极区和漏极区的接触。第十步采用第五掩模来限定场板。第十一步涉及金属剥离以形成场板，第十二步涉及沉积第二层氮化硅以进行钝化。

注意：所提到的具体步骤和掩模编号可能会根据所使用的器件设计和制造工艺而有所不同。

图 6：在蓝宝石衬底上制造 D 模式 GaN HEMT 的工艺流程