近期，北京大学团队研发增强型 p 型栅氮化镓（GaN）晶体管，并首次在高达 4500V 工作电压下实现低动态电阻工作能力。

研究人员在 GaN 功率器件的表面引入新型有源钝化结构，在蓝宝石衬底成功制备具有该结构的新型器件。所制备的器件击穿电压得到大幅度提升，实现大于 6500V 的耐压能力。

通过提供低成本的增强型 GaN 功率器件解决方案，攻克了制约 GaN 功率器件近 30 年的动态电阻难题，打破了“GaN 功率器件不适用于千伏级工业电子应用”的固有观念。

具体来说，在 4500V 工作电压下，超高压 GaN 功率器件的动态电阻退化仅为 2%。与之对比的是，同一晶圆上的传统器件在 500V 工作电压下，动态电阻退化已超过 100%。

该技术有望为新能源汽车、轨道交通、电力传输、分布式储能、清洁能源、数据中心电源等应用设备提供高效率、轻量化、小型化的能源管理系统。


行业瓶颈：GaN 功率器件难以用于千伏级别电压等级

GaN 半导体材料因具备卓越的耐压与输运特性，有望推动电子设备在系统效率提升、系统微型化发展方面取得革命性进展。

目前，GaN 功率器件的电压等级并非受限于击穿电压，而是被局限于高压工作后的动态电阻退化。动态电阻退化源于器件表面的深能级陷阱响应速度极为缓慢，一旦填充电子需要很长时间才能恢复，这些表面负电荷排斥沟道中的电子引起动态电阻退化。

同时，GaN 功率器件又依赖于表面深能级陷阱态，为导电沟道提供载流子。因此，动态电阻退化被认为是 GaN 功率器件的本征特性之一。

经历近 20 年的研究，目前业界普遍采用 3 至 4 个场板结构，可以将 650V 电压等级的 GaN 功率器件的动态电阻退化控制在可接受的程度。

然而，对于更高电压等级的器件，所需场板数量成比例增加，每增加一个场板就需要多一次光刻。若想实现 6500V 的 GaN 功率器件，则需要几十次额外的光刻，因此失去了现实意义。

有鉴于此，工业界与学术界形成普遍的共识：GaN 功率器件不适用于千伏级别的电压等级。


解决有源钝化 GaN 晶体管的三个技术难题

那么，是否有可能从根本上解决动态电阻退化的问题呢？

早在 20 年前，美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员尝试采用一个 p 型半导体层，来屏蔽器件表面陷阱的影响，但未取得理想的结果。

魏进在香港科技大学读博时，就开始思考如何利用屏蔽效应消除表面深能级陷阱态的影响。彼时，很多国内外课题组发现 GaN 功率器件阈值电压漂移的现象，并认为这是 GaN 半导体材料缺陷引起的。

2019 年，他在研究碳化硅（SiC）功率器件时，发现在某些情况下，因为器件结构设计，会出现电荷存储现象造成器件特性漂移。因此，当产生电荷损失时，没有电荷源泉可以快速补充电荷，导致器件稳定性变差。

经过分析，魏进发现 GaN 功率器件有类似之处。“这说明 GaN 器件的阈值电压本质上是动态变化的，而非由材料缺陷所导致。”他说。

后续很长时间，魏进都在研究如何验证这一理论。他与所在团队发明了一种测试方法，对器件内部的存储电荷量与阈值电压漂移量分别测试，发现这二者完全吻合。

基于此，他们提出 GaN 功率器件动态阈值电压理论，让“动态阈值电压”概念成为 GaN 功率器件的普遍共识。

加入北京大学后，魏进课题组的研究方向是功率半导体器件，研究重点包括 GaN 功率器件、SiC 功率器件以及功率集成电路技术。

他和团队成员再次将注意力投入到“动态电阻退化”这个古老的方向上。之前，在动态阈值电压理论上的研究给他们提供了重要的思路。

魏进表示：“当我们再思考如何屏蔽表面深能级陷阱态时，意识到为屏蔽层提供能够快速响应的电荷源泉，是解决问题的关键。因此，我们有了这一概念的雏形。”

最初，该团队认为，屏蔽电荷的源泉应该是固定电位，器件中的固定电位只有器件源极，即参考电压 0V。然而，p 型屏蔽层的引入会耗尽下方的电子沟道，造成电子浓度的减少甚至消失。

因此，他们将研究重点放在怎样弥补屏蔽层下方的电子损失。魏进表示：“有一天我突然想到，屏蔽层与栅极连接可利用栅极的正电压所产生的场效应，来恢复屏蔽层下方的电子浓度。”

在零电压偏置下，有源钝化层耗尽下方的电子沟道，实现增强型工作模式。当需要器件导通时，研究人员采用一种与传统器件截然不同的方式产生电子沟道。

具体来说，传统器件利用表面深能级陷阱为沟道提供电子，而该器件则是利用栅极电压的场效应作用，重新在沟道中产生高浓度的电子。

但这时仍有一个棘手的问题：器件的耐压能力是否会受到有源钝化结构的影响？根据在 GaN p 沟道晶体管的研究经验，魏进发现，当 p 型层足够薄时可被耗尽，从而实现超高的耐压能力。

至此，有关有源钝化 GaN 晶体管的三个主要技术难题被完美解决，即如何实现低动态电阻、如何实现增强型工作模式、如何承受高压。“相关的实验结果也充分验证了我们的想法。”魏进说。

该器件展示了沟道电子的产生可以不依赖于表面深能级陷阱态，并且，表面深能级陷阱态的影响从原理上能够被完全消除。最终，该器件同时实现了三个关键特性：大于 6500V 的超高耐压、增强型工作模式以及超低动态电阻。


氮化镓应用不断扩充

前10年一直在消费电子领域冲浪的氮化镓（GaN）技术不断创新发展，近两年来逐渐在汽车、数据通信以及其他工业应用等行业崭露头角。

消费领域一直是原始设备制造商（OEM）采用GaN的主要驱动力，其中电力设备市场为主流市场，快速充电器为主要应用，此外还包括一些音频设备等。借助GaN，智能手机制造商可以制造尺寸更小且性价比更高的充电器。

目前市场上大多数基于GaN的充电器都在65W左右或以下，业界表示这是性价比的“最佳点”。但是，随着市场对于更高功率的需求，智能手机快速充电器的目标功率高于75的新趋势可能会在不久的将来推动智能手机 OEM对GaN的采用。大多数国家超过75W的功率需要功率因数校正(PFC)电路，这需要使用更多的GaN含量。

另外，在汽车、数据通信以及其他工业应用中GaN技术的得到进一步应用。比如在汽车领域，其主要驱动力将是电动汽车的车载充电器（AC-DC转换）以及DC/DC转换器（电压范围为48V至400V）。市场消息显示，大概到2030年左右，OEM将开始考虑在主逆变器 (650-800V) 中集成GaN。

从市场情况看，在过去几年越来越多的汽车制造商与GaN器件供应商合作。如德国汽车系统制造商ZF与以色列GaN公司VisIC合作，意大利汽车零部件制造商Marelli则与GaN器件公司Transphorm合作等。


氮化镓器件有望持续放量

第三代半导体材料凭借其优越性、实用性和战略性，被许多发达国家已经列入国家计划，进行全面部署，包括氮化镓在内的器件将成为发展主流。

氮化镓产业链一般划分为上游的材料即衬底和外延片、中游的器件和模组、下游的系统和应用。从各环节来看，欧美日企业发展较早，技术积累、专利申请数量、规模制造能力等方面均处于绝对优势。

我国在自主替代大趋势下，目前在氮化镓产业链各环节均有所涉足，在政策支持下已在技术与生产方面取得进步，产业结构相对聚焦中游，多家国内企业已拥有氮化镓晶圆制造能力。

此外，5G通讯的革命性转变重塑了射频技术产业，也为我国氮化镓器件带来重大的市场机遇。5G通讯基站是氮化镓市场主要驱动因素之一，氮化镓射频器件主要应用于无线通讯，占比到达49%。氮化镓材料耐高温、高压及承受更大电流的优势使得射频器件应用在5G基站中更加合适。随着国内5G基站覆盖率不断上升，对氮化镓射频器件需求将更大。

此前，通过性能优化、产能提升、成本控制之后，我国氮化镓在消费电子领域逐渐站稳了脚跟，成为主要驱动力。未来，随着下游新应用规模爆发，以及氮化镓衬底制备技术不断取得突破，氮化镓器件有望持续放量，将成为降本增效、可持续绿色发展的关键技术之一。


市场接受度和行业景气度不断攀升

目前，氮化镓已经拥有了足够广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术，也是全球各国争相角逐的市场，并且市面上已经形成了多股氮化镓代表势力，氮化镓的市场接受度和行业景气度正在不断攀升，技术革新也在不断推进。

同时，随着5G通信生态、AIGC、云计算、大数据等新兴技术的快速发展，高速、高效、高能的半导体器件需求将日益增加，氮化镓器件作为重要的功率和射频器件，将具备广阔的发展前景。同时，随着新基建、新能源、新消费等领域的持续推进，氮化镓器件将在太阳能逆变器、风力发电、新能源汽车等方面得到广泛应用。

因此，伴随5G通信和消费电子业务的确定性增长、新能源赛道与数据中心的集中爆发，未来3-5年氮化镓器件将在5G通信基站、高功率电源、新能源汽车、数据中心等领域出现较快增长。

可以说，氮化镓在性能、效率、能耗、尺寸等方面较市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升，但其发展也面临着许多问题。一方面，氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。另一方面，由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得。但是目前来看，缺点在于产品成本很高，不利于大批量生产。

期待氮化镓产业快速增长的同时，要想氮化镓产能提升、成本控制并形成完全产业链，所面对的挑战也不容小觑。目前，我国多个科研团队已经开始着手攻克相关难题，期待我国凭借氮化镓等材料技术优势，早日实现第三代半导体真正自主可控。