OB欧宝G. Meneghesso（帕多瓦大学），J。Derluyn（EpiGaN nv），E。Meissner（FhG IISB），F。Medjdoub（CNRS），A。Banerjee（安森美半导体比利时BVBA），J。Naundorf（西门子股份公司），M.Rittner（罗伯特博世有限公司）在InRel-NPower

该InRel-NPower研究项目电力电子器件在电力系统应用，通过探索III族氮化立足功率器件达到在电力电子的应用最大功率效率。

电力电子设备要求转换器和逆变器应用的效率最高。持续创新需要探索最新的GaN（），AlGaN和AlN半导体材料。在此背景下，欧盟的Horizon 2020研究和创新计划资助了“InRel-NPower”项目（基于创新可靠氮化物的功率器件和应用），以改善基于氮化物的宽带隙功率半导体的功能性能和可靠性。通常，功率半导体技术的进步解决了电力电子系统的效率，尺寸，重量和成本的改进。目前，IGBT和MOSFET代表了现代的开关器件。基于宽带隙材料（SiC和GaN）的新元件正在为下一代高级应用推出。（1）

OB欧宝如图1和2所示，与硅相比，诸如SiC，GaN，AlN和金刚石的宽带隙半导体（WBG）显示出优异的材料特性。

图1.与硅相比，宽带隙半导体材料的优异材料特性

OB欧宝该项目的主要战略目标是提供可靠且坚固的器件，这些器件采用GaN基和AlN基板（欧洲境内可用于高中功率应用）处理，有助于解决重要的和全球相关的社会问题，包括（但不仅限于）应对气候变化，能源消耗的可持续性，电能节省和电动交通的措施。

由于两种创新的封装解决方案可以充分利用GaN材料，因此该项目也仔细解决了封装问题。这需要在价值链的各个阶段结合所指出的专业知识，并与对设备内部的过程和机制的物理理解相结合。我们的愿景是，这项工作和所涉合作伙伴的知识将有助于更深入地了解与基于宽带隙材料的半导体器件相关的技术问题。目标是使欧洲半导体价值链合作伙伴更进一步走向生产和应用强大的中高功率设备的前沿。

图2.宽带隙半导体材料与硅相比的优异材料特性（3,4）

虽然已经在应用层面证明了基于GaN的转换器的巨大潜力，但是这种改变游戏规则的技术的早期采用者仍然相对较少。这种不愿转向GaN技术的主要原因是由于三个因素：成本，长期可靠性的不确定性以及功率转换器电路设计者的保守性。InRel-NPower设想通过为GaN提供清晰的可靠性评估方法，以及令人信服和改进的设备寿命数据，以及开发两个证明其优势的示威者，为节能问题方面的中长期解决方案做出贡献（在该项目中开发的GaN器件的效率和成本方面。在平行下，此外，需要强调的是电力电子器件在电力系统应用，九个InRel-NPower欧盟研究合作伙伴由两所日本大学，三重大学和九州大学完成，作为欧盟公共资助项目结构非常特殊的相关研究成员。参考文献（5）和（6）作为例子提供了他们的研究工作，任务，贡献和结果的见解。

改进III族氮化物半导体复合材料

改善GaN外延和材料的活动大致可分为两部分：改善HEMT异质结构，一方面定义有源器件的性质，另一方面使用不同的起始衬底材料和缓冲技术。另一方面。

由于其物理特性，GaN可能是具有作为硅替代品而具有重要意义的材料之一。然而，最突出的新型GaN基器件 - 高电子迁移率晶体管（HEMT）的制造工艺的成熟度仍需要改进。HEMT结构通常在硅晶片上制造，具有所有物理反馈和异质外延系统产生的后果。原生的独立式GaN晶圆在小直径和高成本下可以忽略不计。因此，硅上的异质外延是大直径和低价格，是最受欢迎的选择。

这在物理上是一个更困难的情况，但世界各地的外延科学家已经开发出金属有机气相外延（MOVPE）技术，用于掌握由两种材料的热和结构不匹配引起的主要问题。尽管困难，但在此时，硅基GaN基器件结构的增长非常成功。

MOVPE沉积在高于1000℃的相对高温下工作。因此，作为具有较大热膨胀系数的材料，GaN在生长后将系统冷却至室温时比Si基板收缩得更快。结果，外延层经受巨大的应变并且可能破裂。另外，晶片产生不幸的大弓，这对于后续处理是不可接受的。先进的外延技术现在允许引入应变调节层的复杂序列，其产生相反的应变状态，从而减轻晶片的弯曲。

图3.在Si异质外延上掌握GaN中的晶圆弯曲。

另一方面，硅衬底和许多异质界面引入了大量的失配位错，因为所需的应变平衡与结构不匹配。通常，位错可以在半导体层堆叠的高度上显着减小。然而，最顶层中的剩余位错密度保持在109cm-2的数量级。正是这些扩展缺陷（和其他点缺陷）的电气行为导致器件功能，可靠性和稳健性方面的困难。

提高GaN HEMT的可靠性和设计新的器件架构

e-GaN器件的可靠性评估在确定长期稳定性和功能性方面起着至关重要的作用。这些评估的初始部分涉及了解不同环境温度下正向和反向偏置条件下的传导机制，因为不同的栅极处理技术带来不同的泄漏传导机制，例如Poole-Frenkel，热辅助隧穿（TAT）。从图4可以看出，Poole-Frenkel是反向偏压下的主要传导机制，在正向偏压下，存在两种不同的传导模型。在1.5V和 4V直到击穿传导是TAT。在基于p-GaN栅极的e-GaN器件上的栅极 - 源极二极管上进行时间相关的介电击穿测量。

图4.显示典型pGaN栅极结构的正向和反向栅极泄漏特性随温度变化的图。指出了不同的传导方式。

图5.基于热辅助隧穿和Poole-Frenkel模型在RT和200C的正向偏置条件下的工作寿命预测。测量数据（蓝色方块）与预测寿命模型一致。

GaN-on-Si晶体管遭受Si衬底的不良临界电场强度以及缓冲器/衬底界面处的寄生传导，导致器件击穿。这就是为什么在1μA/ mm的断态漏电流下定义的接地基板GaN-on-Si HEMT的最高报告的三端击穿电压值仍然低于1.5kV，这基本上受到Si衬底和相关的限制。材质。

为了抑制寄生传导现象，2010年提出了局部Si衬底去除（LSR）。在漏极电极周围去除Si衬底使得栅极和源极与漏极跨越缓冲层/ Si界面电隔离电力电子器件在电力系统应用，导致增强的GaN-on-Si HEMT的阻断电压高于2kV。使用这种方法，我们最近首次在整个器件下实现了具有LSR的GaN-on-Si MISHEMT，然后是超宽带隙AlN材料的背面沉积（参见图6和7）。

使用原位SiN栅极电介质结合LSR技术和15μm厚的AlN层，可实现最先进的GaN基HEMT，具有极低的断态漏电流（ 10A）功率器件，以证明该方法的可制造性。

图6.正面工艺，LSR技术，15μm厚PVD AlN沉积和背面2μmCu沉积之后的AlGaN / GaN MISHEMT的示意性横截面。

图7.具有和不具有LSR去除图案的晶片的光学背面图像，以及LSR后的20×500μm基于GaN的MISHEMT

图8.通过定义1μA/ mm的阻断电压和断态漏电流特性，使用和不使用LSR /厚AlN / Cu的AlGaN / GaN HEMT的LGD相关器件击穿和特定导通电阻（插图）的演变具有和不具有LSR /厚AlN沉积的AlGaN / GaN MISHEMT的结构。

GaN-HEMT的现代低电感功率模块设计

对于模块设计，选定的组装和互连技术（AIT）必须最大限度地支持使用中的宽带隙功率半导体的优异性能。例如，这指的是最大工作结温，最大可达功率周期稳健性以及启用低电感模块特性。因此，两个有前景的模块概念及其伴随的设计元素 - 一个全陶瓷基板设计和一个混合陶瓷 - 层压板设计 - 正在进行更深入的研究调查。

由于必要的冷却性能热点管理，两个概念中的共同基础衬底将是Si3N4-AMB（活性金属钎焊）衬底。此外，由于硬开关逆变器应用中所需的功率循环稳健性，GaN芯片背面将通过银烧结技术（有时称为低温连接技术或LTJT）在这两个概念上附着在该AMB基板上。

此外，必须注意所有三个芯片端子 - 源极，栅极和漏极 - 由于其作为HEMT器件的横向性质而必须在芯片顶侧接触。所选择的“对向基板”及其设计必须能够实现所需的电路溶解以实现适当的功能。

所有陶瓷基板设计

对于这个概念，面向GaN芯片顶侧的电路的溶解将用多层LTCC（低温共烧陶瓷）对衬底实现（见图9）。一个非常重要的任务是为新的GaN器件开发双面Ag烧结工艺，在AMB上烧结芯片连接（作为Si晶片背面），芯片端子烧结到LTCC。应用Ag-sinter工艺进行LTCC金属化的初步试验成功。（7）

第二个重要任务是半桥的设计。在用于驱动逆变器应用中的功率模块的功率机电一体化中，从子系统和材料选择，AIT工艺及其在生产线中的实施顺序，从拓扑和原理图到具体功率模块设计的过渡是其中之一。最大的挑战。所有陶瓷模块概念的这种转变的草图如图9所示。

图9.从半桥拓扑到功率模块设计的过渡草图。

陶瓷 - 层压板混合设计

针对混合陶瓷 - 聚合物概念，正在开发替代传统引线键合的紧凑互连技术。为此，采用绝缘层上的柔性平面金属互连，提供所需的低电感和改进的热管理。

包装方法包括：

·低电感互连，具有灵活的平面互连

·更高频率的驱动操作

·紧凑的包装，具有更高的可靠性，坚固性和减小系统尺寸

·包括嵌入式有源和无源组件，传感器，门驱动单元和冷却

图10显示了应用创新平面封装技术的集成系统的草案。具有平面互连技术的陶瓷基板嵌入到具有集成无源器件电力电子器件在电力系统应用，栅极驱动单元和散热器的PCB中。

图10.采用平面封装技术和改进热管理的紧凑型系统（3D封装）

由于研究人员的资源，基础衬底设计策略在上述两种功率模块低电感概念中使用相同的AMB基础衬底设计和布局。因此，第一步是定义原则上需要哪些功能输入和输出用于稍后设计的灵活AMB基板布局，例如电池正/负，相脚，逻辑连接，传感连接等。根据定义的AMB布局考虑的结果如图11所示。

图11.定义的AMB布局：LTCC对向基板的计划位置以阴影显示在芯片上方。

第二步是描述新InRel-NPower GaN HEMT（25 mOhm RDS，沟道电阻@ 150°C最大Tjunction）的目标特性下的热态情况以及20之间的完整B6桥式演示器的所选功率等级高达30千瓦。由于器件尺寸小，器件的损耗密度非常高。为了正确设计设备之间的距离，首先使用不同的传热系数进行简单的模拟。高传热系数的结果如图12所示。

图12.每个开关并联的两个GaN器件的模拟，散热器上的距离变化，具有高冷却性能。

摘要

我们相信电力电子器件在电力系统应用，未来的所有电力电子系统都将充分利用该项目中开发的GaN基和铝基器件。这样做的好处包括：

·降低散热片要求，降低冷却要求和节能;

·系统体积和重量减少80％，降低整体系统成本和材料使用（由于电感器，变压器和电容器小得多）;

·单极器件的压降更低，降低了传导损耗并节省了能量

·提高输出功率，实现更高效的电力系统;

·改善瞬态特性和开关速度，降低开关损耗;

·减小较小系统封装的电噪声，从而实现更强大的电路。

该项目通过结合欧洲卓越中心在该领域的知识和专业知识，并将其与欧盟商业设备制造商和基板生产商联系起来，重点关注方法和数据的缺乏。这样做可以在大型统计样本库上评估大面积功率器件（而不是关注一些R＆D样本）。

致谢

OB欧宝这项工作得到了InRel-NPower项目（基于创新ReliableNitride的功率器件和应用）的支持。该项目已获得欧盟“地平线2020”研究和创新计划资助，资助协议编号为720527.参考文献1.宽带隙半导体 - 功率开关器件的机遇：宽带隙半导体，InRel-NPower项目的网站：http：// R. Brown，一种新型的基于AlGaN / GaN的增强型高电子迁移率晶体管，具有亚临界势垒厚度，博士论文，p。2，格拉斯哥大学（2015年）。3.T.Wunderer等人，在块状AlN衬底上生长的光学泵浦UV激光器，Phys。状态Solidi C，9,822（2012）。4. H. Okumura，宽带半导体大功率器件的现状和未来展望，Jpn。J. Appl。Phys。，45,7565（2006）。5.Y.Yoshizawa，H.Miyake和K.Hiramatsu，热退火对在溅射的AlN模板上生长的AlN膜的影响，Jpn。J. Appl。物理，57,01AD05,2018。6. P. Kempisty，Y。Kangawa，A.Kusaba等人，在GaN（0001）和GaN（0001̅）金属 - 有机气相外延中碳掺入的DFT建模，申请物理学。快报。111,141602（2017）。7. M. Rittner等人，