寬禁帶科技論|北京大學成功研制無襯偏效應的GaN-on-Si單芯片集成雙向開關器件

擁有雙向導通、雙向耐壓的能力的雙向功率開關（BDS）是諸多高效轉換器拓撲，例如T型逆變器、矩陣逆變器、雙有源電橋等的核心元件。傳統的雙向器件通常由兩個分立的硅（Si）基或碳化硅（SiC）基器件串聯形成，其電阻是常規單向器件的兩倍。氮化鎵（GaN）器件具有橫向結構，能夠通過共享漏級的方式集成兩個反向串聯的器件，大大減小雙向器件的導通電阻。低電阻的GaN雙向器件使得諸多高效電路結構——例如單級AC-DC轉換器——成為可能，是近年來功率電子領域極受關注的研究方向。

目前，由于硅襯底價格低廉的特性，商用GaN器件通常基于硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術。在GaN單向器件中，需要將硅襯底接源級來保證開關過程中襯底電勢的穩定性。然而，在GaN雙向器件中，為保證器件對稱性，需將襯底浮空。浮空的硅襯底會在器件耐受高壓時呈現正電勢，導致緩沖層負電荷，使得器件動態導通電阻嚴重退化。

北京大學魏進/沈波課題組在著名學術期刊Applied Physics Letter發表題目為"GaN-on-Si monolithic bidirectional switch with virtual body to suppress substrate-induced dynamic ON-resistance degradation"的研究論文，北京大學集成電路學院博士研究生常昊、楊俊杰為論文共同一作。論文提出使用虛擬體（Virtual body）技術從器件層面上解決GaN雙向器件的襯底效應。本文通過在GaN溝道層和緩沖層之間插入一AlGaN背勢壘層，使得從p-GaN柵極注入的空穴被AlGaN背勢壘層阻擋并在背勢壘層上表面擴散，形成一空穴層，有效地屏蔽襯底電勢變化導致的緩沖層負電荷對溝道電子濃度的影響。

本文還制備了一個特殊設計的測試結構來檢測虛擬體的形成過程。該測試結構中有一個p-GaN柵極、一個歐姆接觸，用以模擬柵極開啟時器件中的空穴注入。特別地，在測試結構側壁嵌入了一個接觸金屬用以收集沿著AlGaN擴散的空穴。在p-GaN柵極上施加一系列電壓脈沖時，在具有AlGaN背勢壘層的測試結構中，能夠觀察到側壁金屬接觸中快速的電流響應，說明柵極開啟后，空穴層的快速形成。

最終，在交流斬波測試中驗證了所提出的虛擬體GaN雙向器件的性能。其中，交流源的幅值為±400 V，頻率為250 Hz，雙向器件的襯底浮空、兩個柵極同時以5 kHz的頻率開關。在測試中，所提出的虛擬體GaN雙向器件呈現出穩定的雙向導通、雙向耐壓特性。

圖6 高壓交流斬波測試。