抑制6英寸蓝宝石衬底常关型p-GaN单片双向开关背栅效应以构建紧凑型功率转换系统

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Suppressing the Back-Gating Effect of Normally-Off p-GaN Monolithic Bidirectional Switch on 6-Inch Sapphire for Compact Power Conversion Systems

　　本刊编辑推荐：为应对横向GaN基单片双向开关(MBDS)在功率转换系统中因背栅效应引发的动态导通电阻(RON)严重退化问题，研究团队在6英寸蓝宝石衬底上采用CMOS兼容工艺成功制备常关型p-GaN MBDS。研究表明，蓝宝石绝缘衬底可有效抑制背栅效应，使器件在双脉冲测试中动态RON仅增加约1.3倍，高压衬底偏置测试下电流崩塌低于20%，显著提升了功率转换系统的可靠性与集成度。

　　

在功率电子技术飞速发展的今天，氮化镓(GaN)基功率器件以其高击穿电压、快速开关速度等优异特性，成为实现高效紧凑型功率转换系统的关键。其中，单片双向开关(Monolithic Bidirectional Switch, MBDS)因其能够共享高压阻断区域，有效降低导通电阻(R_ON)并节省芯片面积，在矩阵变换器、T型变换器等拓扑结构中展现出巨大应用潜力。然而，当MBDS制备在传统的硅(Si)衬底上时，一个严峻的挑战——背栅效应(back-gating effect)凸显出来。这种效应会导致器件在开关过程中出现严重的动态R_ON退化，即所谓的“电流崩塌”(current collapse)，动态电阻可激增数十倍至207 Ω，严重威胁功率系统的可靠性。其根源在于，在器件关断(OFF-state)期间，导电的Si衬底会因处于高电位而使得GaN缓冲层中的受主杂质发生电荷俘获；当器件再次开启(ON-state)时，这些被俘获的负电荷会部分耗尽沟道中的二维电子气(2DEG)，从而阻碍电流正常导通。

为了攻克这一技术瓶颈，发表在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上的这项研究，创新性地采用绝缘的6英寸蓝宝石(sapphire)衬底来制备常关型(normally-off) p-GaN MBDS，旨在从根本上抑制背栅效应。研究团队在其中试线( pilot line)利用CMOS兼容工艺成功实现了器件的制造，并对基于Si衬底和蓝宝石衬底的MBDS性能进行了系统的对比分析。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在6英寸蓝宝石衬底上外延生长包含超薄(Al)GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN间隔层、Al_0.2Ga_0.8N势垒层及p-GaN帽层的器件结构。其次，执行完整的CMOS兼容制造工艺流程，包括TiN沉积、器件隔离、p-GaN选择性刻蚀、表面钝化、栅极与欧姆接触形成、金属互联以及衬底减薄（蓝宝石至100 μm）。最后，通过一系列电学测试，如双向直流特性、斩波(chopping)特性、高压脉冲测试、双脉冲测试(double-pulse test)和高压衬底偏置测试，全面评估器件的静态与动态性能。

III. 结果与讨论

A. 双向直流特性

研究首先对比了栅极间距(L_GG)为14 μm的100 μm宽MBDS在Si和蓝宝石衬底上的输出与反向阻断特性。结果显示，在6英寸蓝宝石衬底上制备的256个器件表现出优异的均匀性，阈值电压(V_TH)集中在2.20 V左右，R_ON主要分布在10.84至11.62 Ω·mm之间。得益于蓝宝石的绝缘特性，器件的击穿电压(V_BD)和R_ON均与L_GG呈线性关系，为更高电压应用提供了潜力。

B. 斩波特性

为了评估40 mm大功率MBDS的实用开关性能，研究团队设计了基于60 Hz交流电源和2 kHz斩波频率的测试电路。结果表明，Si衬底MBDS（无论衬底是与S2端子短接还是浮空）在开启态均出现异常的V_S2-S1电压，其动态R_ON在斩波操作中迅速上升至207 Ω（衬底接S2）和58 Ω（衬底浮空），显示出显著的陷阱效应。相比之下，蓝宝石衬底MBDS则表现出稳定的斩波特性，动态R_ON变化微小。

C. 高压脉冲测试

该测试直接表征背栅效应。器件先在关断态承受高压应力5秒，然后切换到开启态以监测V_S2-S1和V_B-S1。Si衬底MBDS随着关断态总线电压(V_BUS)的增加，其V_S2-S1曲线出现严重畸变。值得注意的是，浮空的Si衬底电位会跟随V_S2-S1变化，这是因为导电的Si衬底充当了连接S1和S2端子的路径，使得衬底浮空在效果上近似于将其短接到S2，从而诱发背栅陷阱效应。相反，蓝宝石衬底MBDS无论衬底如何处理，均保持稳定的开关性能。

D. 双脉冲测试

在感性负载条件下进一步评估硬开关行为。Si衬底MBDS在第二个脉冲的开启期间，其漏源电压(V_DS)异常升高，动态R_ON显著增加。而蓝宝石衬底MBDS工作稳定，动态R_ON仅为静态值的约1.3倍，直接验证了蓝宝石衬底对背栅效应的抑制效果。

E. 动态R_ON退化机制

通过高压衬底偏置测试模拟背栅效应的影响。当Si衬底短接到S2端子时，p-GaN MBDS表现出高达64%的电流崩塌，这是表面陷阱效应和背栅效应共同作用的结果。将Si衬底短接到接地端子S1可消除背栅效应，但仍存在12%的电流崩塌（源于表面陷阱）。而蓝宝石衬底MBDS，无论衬底如何连接，电流崩塌均控制在20%以内，确凿地证明了背栅效应的存在以及蓝宝石衬底对其的抑制能力。其内在物理机制在于，绝缘的蓝宝石衬底可以阻断横向导电通路，并在垂直方向承受大部分高压，从而使GaN缓冲层免受背栅效应的影响。

IV. 结论

本研究明确证实了传统Si衬底上p-GaN MBDS存在的背栅效应会严重损害开关性能和功率效率。通过采用绝缘的蓝宝石衬底替代导电的Si衬底，该效应被成功抑制。本研究在6英寸蓝宝石上制备的p-GaN MBDS展现了优异的斩波性能。研究揭示，由于绝缘衬底的保护，蓝宝石上的GaN缓冲层可免受背栅效应影响。这些结果表明，蓝宝石衬底p-GaN MBDS能够有效抑制背栅效应，显著简化功率转换系统的设计（无需复杂的衬底电位控制电路），为未来高性能紧凑型电源的快速发展铺平了道路。