Силовые приборы на основе GaN: физика, надежность и перспективы

В течение последнего десятилетия нитрид галлия (GaN) стал перспективным материалом для изготовления силовых приборов. Среди полупроводников, для которых силовые приборы уже доступны на рынке, GaN обладает наиболее широкой запрещенной зоной, максимальной критической напряженностью электрического поля и наибольшей скоростью насыщения, что делает его превосходным материалом для изготовления высокоскоростных и высоковольтных компонентов. Наличие спонтанной и пьезоэлектрической поляризации позволяет создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью и большой концентрацией носителей в канале без легирования благодаря использованию гетероструктур AlGaN/GaN. Это способствует минимизации резистивных потерь; одновременно в транзисторах на основе GaN коммутационные потери очень малы благодаря низким паразитным емкостям и малым зарядам переключения. Масштабирование приборов и монолитная интеграция обеспечивают работу на высоких частотах, что дает преимущества с точки зрения миниатюризации. Для работы при высокой мощности и высоком напряжении предлагаются и исследуются вертикальные архитектуры приборов, а трехмерные структуры — в виде ребер, траншей и нанопроводов — демонстрируют значительный потенциал. В отличие от Si, GaN является относительно молодым материалом: процессы захвата носителей и деградации необходимо подробно изучить и описать с целью оптимизации стабильности и надежности приборов. В этом учебном обзоре рассматриваются физика, технология и надежность силовых приборов на основе GaN. В первой части статьи, начиная с обсуждения основных свойств материала, подробно рассматриваются характеристики латеральных и вертикальных транзисторов на основе GaN, чтобы дать читателю ориентиры в этой сложной и интересной области. Вторая часть посвящена аспектам захвата носителей и надежности: подробно обсуждаются физическая природа ловушек в GaN и основные механизмы деградации. Обширный список цитируемых публикаций и глубокий анализ наиболее значимых аспектов дают читателю всесторонний обзор...