多维功率器件
半导体工程师?2023-07-08 11:06?发表于北京
推动功率电子器件发展的并不都是新材料技术。器件架构其实很重要，诸如超结、多沟道和多栅极等技术也为功率器件的变革提供了机会。
功率电子器件是在各种不同应用中实现高效能源转换的关键，这些应用包括数据中心、电动汽车、电网和可再生能源处理。功率半导体器件和集成电路（IC）的全球市场规模已经达到每年400亿美元，而且还在快速增长。
在这一领域工作的许多人都认为，为了推动功率器件的发展，有必要引入新的材料。由硅制成的晶体管应该被那些用宽禁带半导体（如SiC和GaN）制作的晶体管所取代，而且总有一天会转向超宽禁带半导体材料的变体，比如Ga2O3、AlN和金刚石。
但我的观点是，器件概念和架构方面的创新同样重要（包括剑桥大学的Florin Udrea和南加州大学的Han Wang在内的不少同事对此都表示同意）－这种创新是不受材料限制的。这促使我们在去年年底发布了器件架构创新的路线图（有关该论文的详情，请参见“扩展阅读”的参考文献）。
历史支持我们的立场。只要跟踪一下宽禁带材料出现之前硅功率器件的演变过程就一目了然了。在那个时代，器件架构的创新推动了功率电子器件的发展，从20世纪50年代晶闸管的商业化，到20世纪70年代的功率MOSFET，再到20世纪80年代的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。我们认为，未来新一波功率器件的发展取决于多维架构（multi-dimensional architectures）的引入。
功率器件的作用是在其导通状态下传导高电流，在其关断状态下阻断高电压，并且能够以高频率在这两种状态之间连续切换。对于传统的功率器件，比如MOSFET和IGBT，主电流和阻断电场对准相同的方向，从而使它们成为有效的单维器件。
△图1：单维（1D）和多维功率器件的“功率容量-频率”折衷。
最近，人们开发出了多种创新型架构，这些架构至少在一个额外的几何维度上引入了静电工程。此类架构包括超结、多沟道和多栅极。如图1所示，这些多维器件克服了阻碍其传统同类产品性能提升的“容量-频率折衷”问题，从而使其能够实现较低的功率损耗和较高的频率。有了这些器件属性的支持，设计人员可以提高其电力电子系统的效率，同时缩减外
形尺寸。
单极功率器件还受到另一种权衡折衷（即：击穿电压和特征导通电阻之间的关系）的影响，这从根本上限制了它们的性能。如图2所示，当用硅、SiC和GaN制造多维器件时，它们可以超越各自的单维（1D）材料极限。特别令人鼓舞的是，通过调整某些结构参数，它们的性能可以不断地改善。这产生了一个新的器件限制带，超越了每种材料的1D极限线。与此形成鲜明对比的是，大多数1D单极功率器件随着几何尺寸微缩所获得的改进微乎其微。因此，多维功率器件令人向往的是它们将会改写功率器件的性能极限和品质因数。
△图2：在硅和宽禁带半导体SiC和GaN中演示的1D材料极限和多维功率器件的“特征导通电阻-击穿电压”权衡折衷。
对于超结器件，电场是在垂直于电流传导方向的平面上调制的。这类功率器件是通过创建交替的n型和p型区域形成的。电荷平衡可以产生均匀的电场和更好的阻断电压，这与每个区域的掺杂情况无关。凭借这种结构，掺杂度可以提高几个数量级，并减小导通电阻。
自西门子集团半导体部门（现在的英飞凌）于20世纪90年代末推出CoolMOS以来，硅超结在商业上取得了巨大的成功。2016年，超结产品家族迎来了采用SiC材料的新成员，该器件性能超过了其1D结构器件的性能极限。
对于GaN来说，通过引入新架构所取得的突破包括，开发出了具有多个垂直于电流传导平面排列的二维载流子沟道的器件。在这样的器件中，极化电荷以及可能的额外p型覆盖层，可以在器件关断状态下进行自我平衡，从而实现类似于超结的功能。通过运用这种方法，我们在弗吉尼亚理工大学、南加州大学和剑桥大学的团队，已经展示了阻断电压达10kV的多通道AlGaN/GaN器件，这一性能超过了1D横向GaN器件的极限。
对于工作在1kV以下的晶体管，沟道电阻可以支配器件的导通电阻。为了减小导通电阻，器件设计人员可以转向多栅极架构和亚微米级的鳍状沟道。鳍片是一种特别有吸引力的选择，因为它使载流子输运远离低迁移率的表面沟道，从而提高了整体沟道迁移率。
这种方法具有广泛的适用性，在各种功率晶体管（包括MOSFET和HEMT）中，已经展示了使用多种材料的三栅极晶体管和鳍式场效应管（FinFET）。去年年底，在与其他协作者的合作下，我们的团队取得了新的突破，公布了首个GaN垂直超结。在2022年国际电子器件会议上公布的该项成功案例，是建立在p型NiO的异质结上的，该异质结被保形地溅射在GaN柱的侧壁上（见图3）。由于NiO和GaN之间的电荷平衡，我们的超结提供了1100V的阻断电压和0.15mΩcm2的特征导通电阻。这一性能水平超过了GaN的1D结构器件的极限。
△图3：垂直GaN超结二极管的三维示意图和NiO/GaN单元晶格的放大图示（左）。超结区的横断面扫描电子显微镜图像（右）。
虽然我们介绍说明的是多维架构对功率器件的好处，但是它们所能提供的益处亦可惠及其他领域。对于射频器件，它们能够在功率、频率和动态范围方面提供改善。
需要注意的是，我们并不是在质疑引进新的半导体材料所能带来的好处。不过，当您下一次需要设计性能更好的器件时，不要只是想着更换材料，也可以考虑利用某种更完善的架构可能会产生什么改良效果。
参考文献
?Y.Zhang et al.“Multidimensional device architectures for efficient power electronics,” Nat. Electronic. 5 723 (2022)
?M.Xiao et al.“First demonstration of vertical superjunction diode in GaN,”2022 International Electron Devices Meeting (IEDM), 35.6, Dec. 2022.
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