中国瑞士联合团队让氮化镓器件性能大幅接近理论极限，可将导通电阻降低5倍，有望实现高效电能转换 | 专访

“这项工作是氮化镓电力电子器件领域的重大进步，该技术使氮化镓器件的性能大幅接近其理论极限，且显著地超过了现有的碳化硅器件。”氮化镓电子器件领域著名专家，IEEE Fellow、英国布里斯托大学教授马丁·库博尔（Martin Kuball）在 Nature Electronics 撰写专文评论时这样评价道。

“这项工作是氮化镓电力电子器件领域的重大进步，该技术使氮化镓器件的性能大幅接近其理论极限，且显著地超过了现有的碳化硅器件。”氮化镓电子器件领域著名专家，IEEE Fellow、英国布里斯托大学教授马丁·库博尔（Martin Kuball）在 Nature Electronics 撰写专文评论时这样评价道。

90年代末期， 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石（Diamond）、氮化铝（AIN）为代表的宽禁带半导体材料开始渗透进人们生活，比如早期的蓝光和绿光 LED。

电子器件主要以硅材料为主，随着先进移动通信和绿色能源技术的高速发展，市场对半导体材料的性能提出了更高的要求。氮化镓作为新型半导体材料的“后起之秀”在市场中逐渐被应用，其中，LED 使用氮化镓较早，后来慢慢发展到应用在电子器件，如射频电子器件、电力电子器件等。

目前，作为宽禁带半导体材料的代表，碳化硅和氮化镓的电子器件已在市场上应用，比如特斯拉电动汽车用碳化硅做电源转换；手机快充、数据中心的电源开始采用氮化镓的电子器件进行高效的电能转换。

近期，南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊团队与瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）和苏州晶湛半导体有限公司合作研发了一种多沟道氮化镓电力电子器件技术，可用于开发高能效的电能转换系统[1]。

图丨相关论文（来源：Natural Electronics）

相关论文以《用于高效功率转换的多沟道纳米线器件》（Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion）为题发表在 Natural Electronics。

实现 1300V 高击穿电压，导通电阻降低为 1/5，品质因子提升 4 倍

氮化镓电力电子器件目前的主流方案是硅基氮化镓，也就是说，在硅片上外延生长一层氮化镓薄膜，并以此为基础制备电力电子器件。这种方法大幅降低了氮化镓器件的成本，加速了先进技术的落地和市场化。

但是，另一方面也限制了器件的性能。品质因子是电力电子器件的基础型核心指标之一，通常由器件击穿电压的平方除以其比导通电阻而来，而硅基氮化镓电力电子器件的品质因子距离氮化镓材料的理论极限仍然非常遥远。

在过去 10 年里，在技术落地和市场化的驱动下，氮化镓电力电子器件的各种可靠性方面提升很快。例如外延技术、常关特性、动态特性等，但是在基础性的器件品质因子方面提升非常慢，而且随着市场化发展导致器件结构的相对固定，这似乎成为很难突破的方向。

图丨氮化镓高压多沟道器件概念（来源：受访者）

于是，马俊开始思考，不如尝试回归基础学科研究的目标之一，假设其他可靠性的问题都可以解决，该如何提升电子电子器件器件最基础核心的品质因子，推动氮化镓的性能朝着其极限发展。

马俊表示，“我们大概用了 4 年时间。2017 年，我们首次展示了多沟道结构的高压能力和常关型高迁移率晶体管，以及高性能肖特基二极管。”

2019 年，马俊团队在国际电子器件大会（IEDM）会议上展示了高压多沟道氮化镓技术的成果：在获得 1200V 高击穿电压的同时，将器件的导通电阻降低为典型值的约 1/5，而硅上氮化镓电力电子器件品质因子的国际纪录平均提升了 3 至 4 倍[2]。

“本次 Nature Electronics 研究成果是 IEDM 成果的延续，获得了 1300V 高击穿电压的常关型高迁移率晶体管。”马俊说。

半导体行业知名杂志 Compound Semiconductor 曾发评论文章对该研究评价道：“该研究代表了未来氮化镓电力电子器件发展的两个趋势之一。”

图丨马俊（来源：受访者）

总体来说，该技术解决了两个电子器件中基础性、原理性的挑战。第一，怎么降低器件的电阻，但又不损失电子的迁移率。

马俊表示，半导体材料的导电性能是由材料的载流子浓度和载流子迁移率决定的。通常，降低电阻会通过增加电子浓度的方式，但是这样就会导致电子迁移率下降。

第二，如何在低电阻的情况下实现高击穿电压。

马俊告诉 DeepTech，这听起来就像是一种“矛盾”的材料，既要“特别导电”，又要“特别绝缘”。团队主要通过材料结构和器件设计的同步耦合创新来解决以上两个问题。

从材料结构方面，使用了多沟道结构。传统的氮化镓只有 1 个导电沟道，就好像一条高速公路。如果车特别多，每辆车的速度就很慢，容易造成堵车。

所以，电子“通行”能力是器件的导电性能的关键。马俊及合作者们通过材料结构的设计和外延工艺的提升，在 100-200 纳米的多沟道内，堆叠了 4 至 5 个导电沟道。

“像从普通的高速公路转变为 4 层的高架桥，这样在同样的汽车通行速度下，将汽车的数量提升了 4-5 倍。我们从材料结构创新，使用多沟道结构取代传统的单沟道结构，大幅降低了器件的电阻，但不损失迁移率。”马俊说。

图丨多沟道纳米线中的电子传输（来源：Natural Electronics）

从器件设计方面，使用了原创的三维场板结构，并申请了专利。

传统的传统的氮化镓电子器件通常啊需要使用一种叫“场板”的结构实现高击穿电压。马俊团队对场板进行了全面分析，然后找到了场板工作的核心原因，并以此为基础发明了全新的三维场板技术。

与平面场板相比，三维场板可以把高电场屏蔽在器件的关键结构或易损区域之外，以有效地提升器件的击穿电压。

通常，做氮化镓电子器件时，人们都习惯把场板加上去。但从测试结果来看，无论传统场板如何调整结果都不理想，每次多沟道器件的击穿电压都在 50V 左右。

“那段时间我大概有 9 个月都没有周末，非常苦闷。”马俊说。后来，马俊通过分析发现，器件是全新的多沟道结构，所以传统的平面场板根本不足以耗尽多沟道，也就没办法耐受高电压。所以，必须采取新的场板结构来处理。

那么问题来了，新的场板结构去哪里找呢？

法国著名的微生物学家、化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）曾说过：“机会都是给有准备的人。”在研究的“至暗时刻”，这种破局的关键“钥匙”来自于马俊在 2017 年研发的原创的三维场板技术，至此解决了高压多沟道电子器件的难题。

马俊解释道：“多沟道结构如果使用传统的器件（平面场板）设计，击穿电压只做到 50V 左右，但通过这种三维场板设计，击穿电压提升到了 1200V，大概提升了 24 倍。”

像“乐高”一样的平台型技术，旨在解决能量效率

现在提倡的提升能效、降低碳排放，关键就是提升人们对能量的使用效率，例如，提升电能转换的效率。而电能转换效率提升的核心在于高性能的电力电子器件。

马俊表示，硅材料通过几十年的发展，硅基电力电子器件的性能通过一些合理的器件设计可超过硅材料的极限。

现在，虽然氮化镓器件性能比硅好很多，但还未达到其极限。那么，氮化镓亦有可能通过更好的材料及器件设计超越氮化镓的材料极限，获得比现在氮化镓器件再好十几倍的性能，进而大幅提升电能转换的效率。

图丨马俊与瑞士 EPFL 的 Elison Matioli 教授及团队（来源：受访者）

多沟道器件技术是为了这一目的而开发的新型技术。它最大的特点是电阻低、损耗小，让它具有更高的能量效率，有望重新定义氮化镓电子器件。“无论在电力电子领域还是在用于通信和雷达等射频电子领域，这种性能都是核心的。”

多沟道技术不是专门的处理某个单一问题的技术，而是平台型技术，就像是工具箱或者“乐高”。大家可以通过该型技术进一步地探索和研发，把“乐高”拼成不同各样的形状，应用在不同的工具、不同的场景。

（来源：Natural Electronics）

马俊认为，氮化镓电子器件将给各领域带来很大的改变，尤其是电能转换效率。也就是说，在电能转换和控制的过程中，多沟道氮化镓电子器件可将电能的损耗降低很多。

马俊表示，“该技术不仅是学术成果，更是从研发阶段开始就与工业界密切合作，从而更能适应市场化发展。”

图丨苏州晶湛半导体程凯董事长及团队（来源：受访者）

目前马俊团队正与晶通半导体（深圳）有限公司推动产业化方面的合作。晶通半导体（JTM）是深圳市天使母基金旗下天使荟重点引进的国际化、高层次人才团队，专注于提供高可靠性、高性能的智能氮化镓电子电子解决方案。

该公司近期已获得千万级人民币种子轮战略融资，投资方为亚洲最大的独立模拟芯片设计公司——矽力杰半导体技术（杭州）有限公司（Silergy）。

学生时代曾 1 年内发表 5 篇顶刊，希望把多沟道技术做成氮化镓领域的“iPhone4”

2008 年，马俊师从厦门大学康俊勇教授，开始做氮化镓方面的研究。“康老师给了我很多鼓励和发展空间，为我创造了好的条件和资源。并且他非常严谨，是我脑海里大学教授的完美形象。”

本科毕业后，马俊来到香港科技大学电子与计算机工程系刘纪美教授课题组。“我在香港科技大学接受了非常系统的氮化镓方面的训练，而且积累了丰富的外延经验，对我来说，这是非常受益的一段经历。”马俊告诉 DeepTech。

硕士毕业后，马俊到了 EPFL 微系统与微电子攻读博士。在 2017 年，马俊在 1 年内以第一作者和共同通讯作者身份连续发表了 5 篇器件领域顶刊。博士毕业后选择回国，加入到南方科技大学电子与电气工程系。

图丨马俊（中）与南科大团队 PN-Lab（来源：受访者）

马俊表示，下一步的研究方向将继续在多沟道结构器件，一方面希望把现在核心的思路发散，提供给大家在应用层面可能的大类方向。然后，继续进一步探索结构的极限。

对于氮化镓和宽禁带半导体材料和器件的应用，马俊认为，主要面临四方面的严峻挑战。

第一，市场推广。用户对氮化镓的接受程度及更改现有方案的决心，对很多应用来说，尤其是对工业级和车规级应用的用户不倾向改变现有的成熟方案。虽然氮化镓和碳化硅能提供更好的解决方案以及更高的效率、更小的体积，但是客户对其接受需要一定的时间。

第二，成本。氮化镓和碳化硅的成本有待降低，现在整体上未达到大规模数量应用，所以，一方面需要技术上的研发，另一方面需要更好的市场推广将量“升级”，以降低成本、提升客户的接受程度。

第三，器件可靠性。目前，第三代半导体材料的电子器件相对来说较新，器件的可靠性有待进一步提高。

第四，人才培养。“从国家宽禁带半导体行业发展来看，中国与国外相比还有一定距离。因此，怎么去追赶甚至超越，还有很大的挑战。从科研经费来看，半导体研究耗资巨大，高校在半导体研究领域的投入有限，缺乏专业的设备、环境、工程师来培养人才。希望未来，可以为学生们创造多一些专业训练的机会。”马俊说。

谈及研究的终极目标，马俊对 DeepTech 表示，希望可以将这个平台型技术发展成为氮化镓领域的“iPhone4”。“苹果通过 iPhone4 重新定义了手机，成为了手机领域的标杆。我们希望通过多沟道技术重新定义氮化镓的电子器件，使氮化镓解决方案的能量、效率成倍地提高。”