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近日，《应用物理快报》刊登了一篇名为《蓝宝石基3kV单芯片双向GaN HEMT》的文章，其作者及研究团队来自于威斯康星大学麦迪逊分校，透露了单片双向GaN晶体管的最新研究进展。（获取文献请加微信：hangjiashuo999）该研究团队表示，他们通过优化欧姆接触、场板结构等工艺，开发了基于蓝宝石衬底的3kV单片双向GaN HEMT，在提升击穿电压的同时保持低导通电阻：- 击穿电压：≥3 kV（受限于测试设备上限），漏极/栅极漏电流分别稳定在90 μA mm−1及2 μA mm−1。
- 导通电阻：20 Ω·mm（对应比导通电阻11mΩ·cm²），与TLM测试结果一致。
- 阈值电压：-3.25 V（定义于1mA/mm），亚阈值摆幅为92 mV/dec，开关比>10⁵。
过去，传统双向开关方案通过两个单向晶体管反串联（anti-series）或反并联（anti-parallel）来实现双向功能，其不足较为明显：一是高导通电阻：串联结构的总电阻为单个器件的两倍。二是低可靠性：四颗器件结构（含内部连接）复杂度高，接触点增加会导致失效风险上升。三是体积与成本问题：多颗器件的占用面积较大，难以小型化。与之相比，单芯片GaN双向开关可有效解决以上问题，但是，其受限于制造工艺，击穿电压等级一般难以提升，不足以支持1200V/1700V的功率转换器应用。为此，业界主要选择蓝宝石作为衬底材料，以提高GaN器件的耐压能力。威斯康星大学研究团队也是采用蓝宝石衬底方案，他们此前成功研制出击穿电压达1360 V的单芯片双向 GaN HEMT ，这一次，他们继续优化相关工艺，将击穿电压提升至3kV。在器件结构与设计中，该研究团队通过蓝宝石衬底、双场板优化和精密工艺控制，最终实现3kV GaN双向开关的突破性性能：- 外延结构设计：采用MOCVD工艺，自下而上生长缓冲层、沟道层、插入层、势垒层及帽层。
单片双向 GaN HEMT 的结构：（a）横截面（b）顶视图器件成功研制后，该研究团队对其进行了相关测试，发现其基本满足实验目标：单片双向 GaN HEMT在 3 kV条件下的击穿响应- 导通电阻：当L GG = 40 μm 时，导通电阻为 ∼20 Ω · mm，从而导致特定电阻率为∼11mΩ·cm2。
- 阈值电压：阈值电压在多次测量中稳定在 −3.25 V，稳定的VTH、低 SS 以及高开/关比使该器件适合高频操作，具有低传导和开关损耗。
单片双向 GaN HEMT的传输特性
值得关注的是，该器件的击穿场强（∼75 V μm−1）仍然远低于 GaN 的理论临界场（330 V μm −1）。通过优化场板数量和几何形状，可以进一步提高GaN晶体管的临界场或击穿电压。该研究团队目前正在进行这方面的优化，预计未来将继续发表相关研究。
本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。
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