Si基GaN器件及系统研究与产业前景

氮化镓具有优异的材料特性，例如宽带隙、高击穿场强和高功率密度等。氮化镓器件在高频率、高效率、高功率等应用中具有广阔的应用前景。

随着GaN功率器件的性能提升，GaN与SiC共存领域的形势将会发生重大变化。当前，以GaN和SiC为代表的国际第三代半导体产业，受政策、资本、技术、市场的“四轮驱动”，已经实现了从研发到规模性量产的成功跨越，进入了产业化快速发展阶段。

世界各国以前所未有的力度扶持半导体产业，争相抢跑第三代半导体。国际龙头企业大力完善产业布局，强化竞争优势；企业上下游深化战略合作，扩大自身优势，抢占市场份额。在各方支持下，国内SiC和GaN技术和产品也相继获得突破。

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）在厦门国际会议中心召开。期间在“氮化镓功率电子器件”分会上，南方科技大学深港微电子学院院长、教授于洪宇带来了“Si基GaN器件及系统研究与产业前景”的主题报告，分享了Si基GaN器件先进工艺研究进展、Si基GaN功率器件及其电源系统、Si基GaN射频器件及其PA模块、Ga2O3器件及GaN气体传感器。

GaN功率器件朝高功率密度、高频、高集成化方向发展，击穿电压集中在<200V 和650V。目前GaN功率元件市场的发展主要由消费电子所驱动，核心在于快速充电器， 其他消费电子场景还包括D类音频、无线充电等。许多厂商已将目光转向工业市场，如电动汽车、数据中心电源、风力发电等。

商业GaN射频器件目前主要集中在低频、高功率，为进一步拓展应用市场，未来将朝更高功率、更工作频率方向发展。国防、5G、电信基础设施是推动GaN RF发展的动力源泉。2022年GaN RF器件市场价值13亿美元，预计到2028年将达到27亿美元，2020年至2028年复合增长率为12%。

Si基GaN器件先进工艺方面，研究涉及极化和二维电子气、导通机制及器件结构，超低接触电阻的源、漏极n型欧姆接触，InAlN上的源、漏极欧姆接触，超低接触电阻的源、漏极p型欧姆接触、低损伤GaN数字刻蚀技术、SiNx栅介质层、栅介质层和表面处理等。其中，研究提出了利用兼容CMOS工艺的TiAl合金层，氮化镓基HTMT源漏欧姆接触电阻实现0.063Ω·mm（非金工艺），刷新了世界纪录，被遴选为IEEE EDL封面文章。

研究提出兼容COMS工艺的低成本 Si/Ti5Al1/TiN欧姆接触结构。实现了0.11 Ω·mm的超低欧姆接触电阻值。利用透射电镜（TEM）等技术手段深入分析了其形成优异欧姆接触的微观机理，提出了该欧姆接触结构的形成机理。

研究首次提出Mg/Pt/Au结构的p型欧姆接触工艺，并系统分析了其载流子输运机制。在双沟道氮化镓外延衬底上实现了目前报道的最低p型欧姆接触电阻值12Ω・mm 。打破了GaN p-FETs及CMOS上p型欧姆接触制备困难的壁垒，连续两月被列为排名前三的popular paper。

首次系统性研究InAlN材料体系原子层刻蚀技术，结合了不同时间O2 plasma 和不同功率BCl3  plasma，可以精确控制InAlN/GaN异质结的刻蚀深度，大幅度优化了刻蚀后的表面粗糙度。

Si基GaN功率器件及其电源系统方面，研究涉及Cascode路线，p-GaN路线，p-GaN栅的石墨烯应用，U-GaN外延应用于p-GaN栅极，p-GaN栅极击穿机理探究，p-GaN栅HEMTs的关态击穿特性优化，再生长凹栅路线，基于GaN HEMTs的电源适配器等。

研究通过优化欧姆接触工艺、场板工艺和Cascode封装工艺，实现了器件导通电阻的降低和击穿电压的大幅提高，为高效率的电源模组实现提供了技术支撑，示范性应用在国家电网的智能终端。

Si基GaN射频器件及其PA模块方面，研究涉及免刻蚀常关型器件制备-应力工程，多指梳状栅抑制短沟道效应，应力工程的可靠性验证，GaN射频功率放大器设计等。

研究提出了一种宽带拓展的两级Doherty PA新结构，通过降低载波PA的匹配网络阻抗转换比换取带宽拓展，将Π型和T型网络的结合，突破了传统Doherty PA窄带的限制，在5.15-5.85GHz频段实现20dB增益和6dB回退效果的高线性度PA的效果。

GaN气体传感器及Ga2O3器件方面，研究涉及MIS-SBD、MOSFET仿真、常关型MOSFET等。研究显示，采用Pt栅极可实现对H2S, H2等气体实现低功耗、高灵敏度的快速检测；采用TiO2栅极实现超低浓度10-ppb级别的CO检测，500-ppb测试下可实现4s的快速响应；采用无栅金属结构，利用GaN本身的材料特性可实现柴油烟尘颗粒检测，其中器件测试后可通过600℃热氧化处理再生，且传感性能无变化，证明GaN传感器具有高温热稳定性和恶劣环境下的工作能力。

审核编辑：刘清