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探秘GaN基垂直型功率晶体管：结构剖析与关键技术洞察

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今全球倡导节能减排和可持续发展的大背景下，提升能源利用效率成为各个领域发展的关键目标。功率电子技术作为实现电能高效转换与控制的核心技术，其发展对于降低能源损耗、提高能源利用效率具有举足轻重的作用。而功率晶体管作为功率电子系统中的核心器件，其性能的优劣直接决定了整个系统的能源转换效率、功率密度以及可靠性等关键指标。

随着现代电力系统、电动汽车、可再生能源发电等领域的快速发展，对功率晶体管的性能提出了越来越高的要求。传统的硅基功率晶体管由于材料特性的限制，在面对高电压、大电流以及高频应用场景时，逐渐暴露出其导通电阻大、开关速度慢、能量损耗高等问题，难以满足这些新兴领域对高效能功率器件的需求。例如，在电动汽车的充电桩中，传统硅基功率晶体管的高损耗会导致设备发热严重，不仅降低了充电效率，还增加了散热成本和设备体积。

氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体材料，与传统的硅材料相比，具有一系列优异的物理特性。GaN的禁带宽度约为3.4eV，是硅的3倍左右，这使得GaN器件能够承受更高的电压而不会发生击穿，大大提高了器件的耐压能力；其电子迁移率高达1500cm2/V?s，约为硅的2倍，这意味着电子在GaN材料中能够更快地移动，从而实现更高的开关速度和更低的导通电阻，有效降低了器件的能量损耗。此外，GaN还具有较高的热导率和击穿场强，能够在高温和高功率密度环境下稳定工作。

基于GaN材料的垂直型功率晶体管，因其独特的结构和材料优势，在功率电子领域展现出了巨大的应用潜力。垂直结构能够有效降低器件的导通电阻，提高电流承载能力，特别适合高电压、大电流的应用场合。在智能电网中，GaN基垂直型功率晶体管可以用于高压直流输电系统，实现电能的高效传输和转换，降低输电线路的能量损耗；在新能源汽车的逆变器中，使用该晶体管能够显著提高逆变器的效率和功率密度，延长电池续航里程，同时减小逆变器的体积和重量，降低成本。

对GaN基垂直型功率晶体管的结构和关键技术进行深入研究，不仅有助于推动功率电子技术的进步，提升能源利用效率，促进电力系统的绿色低碳变革，还能为电动汽车、可再生能源等新兴产业的发展提供强有力的技术支撑，对于实现全球可持续发展目标具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国外在GaN基垂直型功率晶体管的研究方面起步较早，取得了一系列丰硕的成果。美国、日本、欧洲等国家和地区的科研机构和企业投入了大量的人力、物力进行相关研究。美国的Cree公司在GaN材料生长和器件制备技术方面处于世界领先水平，该公司研发的垂直型GaN功率晶体管在击穿电压、导通电阻等关键性能指标上表现出色，已广泛应用于军事、航空航天等高端领域。日本的松下、丰田等企业也在积极开展GaN基功率器件的研究与开发，致力于将其应用于电动汽车、智能电网等领域，并取得了一些重要的技术突破，如优化了器件的结构设计，提高了器件的可靠性和稳定性。

在国内，随着国家对半导体产业的高度重视和大力支持，越来越多的科研机构和高校加入到GaN基垂直型功率晶体管的研究行列中，并取得了显著的进展。中国科学院半导体研究所、清华大学、中国科技大学等单位在GaN材料生长、器件结构设计、工艺制备等方面开展了深入研究，取得了一系列创新性成果。中国科技大学微电子学院杨树教授和龙世兵教授课题组通过优化栅槽刻蚀工艺，实现了低粗糙度、清洁光滑无微沟槽的栅极沟槽，抑制了表面粗糙度散射；同时在栅介质沉积系统中原位生长高质量AlN界面插入层，将界面陷阱密度降低约一个数量级，抑制了库仑散射，成功实现了具有高反型沟道迁移率的垂直型GaN沟槽栅MISFET，相关研究成果在2024IEEE国际电子器件会议（IEDM）上做口头报告，在当前国际报道的千伏级同类器件中较为领先。

尽管国内外在GaN基垂直型功率晶体管的研究方面已经取得了诸多成果，但目前仍存在一些尚未解决的问题。GaN材料的生长成本较高，高质量的GaN衬底制备技术仍有待进一步完善，这限制了GaN基功率晶体管的大规模应用和产业化推广；器件的可靠性和稳定性研究还不够深入，在长期工作过程中，器件可能会出现性能退化等问题，影响其实际应用效果；此外，对于一些新型的器件结构和关键技术，如新型的栅极结构、高性能的绝缘层材料等，还需要进一步探索和优化，以进一步提高器件的性能和综合指标。

1.3研究内容与方法

本文主要围绕GaN基垂直型功率晶体管的结构和关键技术展开研究，具体内容包括：对GaN基垂直型功率晶体管的基本结构进行深入分析，研究不同结构参数对器件性能的影响规律，如漂移区厚度、掺杂浓度、栅极结构等对击穿电压、导通电阻