GaN基功率器件具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、極限工作溫度高等特性，在新一代移動通訊、服務器集群、新能源技術、電動汽車等領域有重大應用， 是半導體科學技術的研究前沿和全球高科技競爭的關鍵領域之一。
 

　　北京大學集成電路學院/集成電路高精尖創新中心魏進研究員與物理學院沈波教授帶領的研究團隊過去5年面向GaN基功率器件的頻率瓶頸、可靠性瓶頸、耐壓瓶頸這三大技術挑戰開展了系統的研究工作，攻克了GaN基功率器件動態閾值穩定性難題，實現了高壓橋式集成與低壓CMOS集成，實現了萬伏級GaN基高壓器件。研制的多個器件性能達到了國際領先水平，在半導體器件領域的頂尖國際會議——國際電子器件會議(IEDM)上2023年與2024年共入選5篇高水平論文(2023—2024年IEDM上GaN基功率器件方向論文全球共24篇，北大的論文數排名全球第一)。
 

　　單芯片集成技術是提升GaN基功率芯片高頻特性的主要技術路徑，該技術長期受限于高壓信號的串擾效應及p溝道晶體管的低電流密度。該團隊創新提出了虛體隔離技術，利用移動空穴巧妙實現了對高壓信號的屏蔽。該工作在國際上首次實現了650V Si基GaN高壓集成芯片(IEDM, 2023, Sec.9-6)；該團隊創新提出了極化增強電離概念，大幅提升了p溝道晶體管的電流密度，實現了國際上傳輸延遲最小的GaN基CMOS集成電路芯片(IEDM, 2024, Sec.16-1)。
 

圖1 高頻GaN基功率集成技術原理與芯片測試結果
 

　　器件可靠性是制約GaN基功率器件廣泛應用的難點問題，針對動態閾值電壓漂移這一難題，該團隊提出了金屬/絕緣層/p-GaN新型器件結構，一方面實現了近20V的柵極電壓冗余，另一方面消除了動態閾值電壓漂移。該工作大幅提升了器件魯棒性，攻克了閾值電壓不穩帶來的系統誤開啟難題，使GaN基功率器件實現了與Si基MOSFET器件類似的工作模式(IEDM, Sec.9-4, 2023)。
 

圖2 高可靠性GaN基MIP器件的SEM照片與測試結果
 

　　超高壓GaN基功率器件的發展長期受限于高場陷阱效應所引起的動態電阻退化以及電場聚集效應引起的提前擊穿。針對上述難題，該團隊提出了新型有源鈍化晶體管，實現了擊穿電壓大于1萬伏的增強型GaN基功率器件，在高達6500V工作電壓下實現了對動態電阻的抑制。這是國際上首次報道GaN基功率器件在2kV以上的低動態導通電阻特性，器件品質因數為國際報道最高值(IEDM, 2023, Sec.26-1； IEDM, 2024, Sec.25-3)。
 

圖3 萬伏級GaN晶體管SEM照片與測試結果
 

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委員會、科技部重點研發計劃、教育部、北京市等項目的資助以及北京大學寬禁帶半導體研究中心、微納/納米加工技術全國重點實驗室、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、國家集成電路產教融合創新平臺、集成電路高精尖創新中心等基地平臺的支持。