Si基GaN功率半导体及其集成技术

特色及先进性；技术指标电子科技大学功率集成技术实验室（Power Integrated Technology Lab.-PITEL）自2008年就已经开展Si基GaN(GaN-on-Si)功率器件的研究，是国内最早开展GaN-on-Si功率半导体技术研究的团队。近年来在分立功率器件如功率整流器、增强型功率晶体管及其集成技术方面取得了突出的研究成果。2008年在被誉为“器件奥林匹克”的国际顶级会议IEDM上报道了GaN-on-Si开关模式Boost转换器，国际上首次实现了GaN-on-Si单片集成增强型功率晶体管和功率整流器。 GaN-on-Si功率整流器提出一种GaN功率整流器新结构（Metal-Insulator-Semiconductor-Gated Hybrid Anode Diode），其结构如图2所示。新结构较传统GaN整流器具有更小的导通电阻，更低的开启电压和反向漏电。图3为MG-HAD和传统SBD正向开启特性特比，可以看出MG-HAD具有较小的开启电压（0.6V）和导通电阻（1.3mΩ?cm2）。图4可以看出器件直至150 ℃高温仍然保持优秀的反向阻断能力，以10μA/mm 为击穿电流标准，MG-HAD在常温下击穿电压超过1.1kV的仪器测量极限，150 ℃高温下击穿电压为770V。本器件结果能同时具有低导通电阻和高击穿电压，因而其baliga优值（BFOM）459 MW/cm2在已有GaN-on-Si功率二极管报道中为第二高值，见图5所示。

能为产业解决的关键问题和实施后可取得的效果团队针对未来五年内GaN高速增长的耐压600V及以上级别应用领域——光伏逆变器、不间断电源、电动及混合动力机车充电器等，着力研发低功耗的可集成的GaN-on-Si功率二极管和常闭型功率晶体管，开发增强型GaN电力电子器件阈值电压调制技术，可靠性加固技术和器件级介质材料制备技术等发展GaN-on-Si功率半导体的核心技术。另外，在GaN-on-Si分立功率器件的基础上开发出GaN-on-Si集成技术，开发出单片集成的GaN boost转换器、基准电压发生器及带有温度补偿性能的比较器等功率核心模块及其外围控制、保护电路。目前已经掌握的可单片集成的GaN功率器件新结构、常闭型GaN功率器件核心制备技术、单片集成的GaN-on-Si功率模块等技术可以应用到GaN-on-Si功率半导体器件及电路的产品开发，为中国企业在GaN功率半导体领域占据一席之地打下技术基础。

主要功能和应用领域：经济的高速发展对电力能源的消耗日益增加，提高电能的利用效率成为推动经济可持续发展的关键。从电能的产生（太阳能，风能，水能等），电站变电，再到高压输电，最后到终端用户，电能必须经过一系列的AC/DC变换才能达到各终端用户的多样性要求，从低功率的日用电器到千瓦量级的汽车驱动，及更高功率的高铁、变电站等见图1，所有这些都离不开半导体功率电子器件对电能的有效管理。因此，发展高效电力电子器件，降低电能中各种变换环节和电器运行中的损耗，是当前电能利用的重中之重，是适应节能，绿色经济发展的必然趋势。