【CASICON 2021】南京大学陈鹏：低开启/超高压GaN肖特基功率器件研究新进展

Ⅲ族氮化物是典型的宽禁带半导体材料，GaN电力电子器件已广泛用于电力电子领域。肖特基势垒二极管（SBD）是功率转换系统中的基本组件，当前发展GaN功率SBD的核心问题之一是研制出低开启电压、超高耐压的功率器件。

 

9月13-14日，“2021中国（南京）功率与射频半导体技术市场应用峰会（CASICON 2021）”在南京召开。本届峰会由半导体产业网、第三代半导体产业主办，并得到了南京大学、第三代半导体产业技术创新战略联盟的指导。

 

GaN属于典型的宽禁带半导体材料，也被称为第三代半导体材料，与Si材料和SiC材料相比，它具备高压、高温工作，高开关频率、低开关损耗等特点，在电力电子器件应用领域有广阔的前景。

 

会上，南京大学教授陈鹏带来了题为“低开启/超高压GaN肖特基功率器件研究新进展”的主题报告，报告指出，目前GaN SBD的主要应用领域（<1.2 kV），存在着高质量GaN材料欠缺、成本控制（主流采用GaN-on-Si材料）等问题，根据GaN 肖特基二极管（SBD）的特点，人们从各个角度对其进行了研究。实现高压GaN SBD的关键问题涉及合理分散电场的器件结构（终端结构等）、优异的GaN材料质量（衬底选择等）、稳定的工艺技术等。实现低开启GaN SBD的关键问题涉及降低阳极和材料的接触势垒、减小势垒降低对漏电流的负面影响、稳定的工艺技术等。

 

报告详细分享了反向pn结终端1.4 kV准垂直GaN SBD，3.4 kV 硅基GaN SBD，蓝宝石基10 kV GaN SBD，双势垒阳极0.36 V, 10 kV GaN SBD等研究成果。

 

从采用反向pn结终端结构，成功制备了高性能的GaN准垂直SBD，制备的SBD的Von为0.66 V，击穿电压为1.4 kV，Ron,sp为1.4 mΩ·cm²，功率FOM高达1.4 GW / cm²。

 

使用优化的场板结构，制备了Si基AlGaN/GaN横向SBD，击穿电压达到3.4 kV，Ron,sp为3.7mΩ·cm²，器件的最高P-FOM可达3.1 GW/cm²。

 

制备了蓝宝石衬底的超高压 AlGaN/GaN横向SBD，电极间距85μm时器件的击穿大于10 kV。这项工作进一步体现了了GaN的材料优势，有望实现GaN材料在超高压电子领域的低成本/高性能应用。

 

设计制备了高低功函数混合形成的双势垒阳极结构AlGaN/GaN横向SBD，获得了0.36 V的低开启电压，比传统Pt电极结构SBD的开启电压降低了一半，结合大于10 kV的反向击穿电压，最终成功实现了低开启电压，超高耐压的GaN SBD器件。

 

陈鹏，2001年至2007年历任新加坡科研局材料研究院研究员、首席科学家、新加坡国立大学电机工程系博士生导师。自1995年以来长期从事于三族氮化物半导体材料与器件研究，共发表学术论文180余篇，其中以第一作者及通讯作者在氮化物光电子学、功率电子、强注入辐射机制等研究领域发表的高水平论文40余篇。