2025年2月28日，由北京大学集成电路学院、集成电路高精尖创新中心、北京大学国家集成电路产教融合创新平台、集成电路科学与未来技术北京实验室、后摩尔时代微纳电子学科创新引智基地，以及北京大学校友会半导体分会联合主办的“未名·芯”论坛系列讲座第五十五期在微纳电子大厦103报告厅成功举办。本次论坛由来自美国德州仪器公司的唐智凯博士为师生带来题为“GaN Power Device Technology for a Green Future”的精彩讲座。讲座由魏进研究员主持。
在讲座中，唐智凯博士首先回顾了氮化镓器件在高能效、高频率功率电子领域的广泛应用。从电网电源管理、工业电力驱动，到电动汽车和消费电子行业，氮化镓器件正展现出越来越多的潜力。氮化镓器件具有低导通电阻、低输出电容以及无体二极管等优势，在功率集成电路中能够有效降低电路的导通损耗、开关损耗，允许更高的开关速度和更少的电磁干扰。关于氮化镓器件的工艺实现问题，唐博士的介绍主要聚焦于衬底的选择。硅衬底作为目前氮化镓器件的主流选择，具有成熟的工艺技术，较低的成本，并且能够允许较大尺寸的实现。蓝宝石衬底作为氮化镓器件最早诞生时的选择，因其与氮化镓具有较低的晶格失配和热膨胀系数（CTE）失配，且具备高介电性能，在高压氮化镓器件中具有竞争力。另外，唐博士还介绍了一种较新的衬底材料QST，其结构是由多晶氮化铝核上覆盖封装材料、二氧化硅层和硅层组成，与氮化镓具有极低的CTE失配，从而能够允许非常厚的高质量氮化镓缓冲层的生长。此外，关于增强型氮化镓器件的实现、垂直氮化镓器件的特性与研究现状等问题，唐博士也给出了综合的介绍。
接着，唐智凯博士总结了氮化镓器件中目前存在的一些可靠性问题，并强调有关这一部分的研究在目前正是作为推动氮化镓器件发展升级、进一步扩大市场的主要动力。在器件层面上，氮化镓器件中存在的问题主要包括动态电阻退化效应（也称为电流崩塌）、动态阈值电压以及TDDB（与时间有关的介电击穿效应）。在实际电路中，这些可靠性问题可能带来电路性能的严重退化乃至失效。如TDDB导致的漏电增加，以及动态电阻效应导致的更高功耗和过热问题。其中，最为突出的动态电阻问题，主要由器件在高关态漏压和硬开关等条件下产生的缓冲层、表面层陷阱俘获效应导致。针对动态电阻问题，大量研究已经提出了多种缓解方案，如表面钝化、场板技术等等。另一方面，在电路应用层面，氮化镓器件目前的可靠性问题主要存在于硬开关操作下的热电子效应、短路能力问题以及栅极过冲问题。
基于当前学术界针对氮化镓功率器件的一系列新兴研究方向，唐博士对氮化镓器件未来的发展方向进行了展望。氮化镓CMOS技术随着近年来氮化镓P沟道晶体管的发展而成为一个新的研究热题，在逻辑电路中展现广泛的应用前景。此外，近年来的研究也展现了氮化镓器件向更高压的领域拓展的巨大潜力。另一个极具创新的研究方向着力于氮化镓与碳化硅器件的单片集成，能够兼得二者高电子迁移率与高雪崩击穿耐压能力的优势，提供更优的性能。
在听众提问环节，学生们就讲座中提及的一些新兴研究方向和氮化镓总体未来发展趋势与唐博士进行了进一步深入交流。唐博士认为，QST衬底技术、氮化镓CMOS技术以及与碳化硅的单片集成，这一系列新兴技术具有很高的创新性，虽然与产业化仍有一定距离，但鼓励同学们基于兴趣进一步深入挖掘其潜力。另外，关于氮化镓上车、低压氮化镓器件等话题，唐博士也分享了自己丰富的经验与深刻的见解，学生们在交流中感到获益良多。
个人简介：
Zhikai Tang is the GaN Technology Lead Engineer and Senior Member Technical Staff in the Kilby Labs at Texas Instruments (TI) focusing on GaN power technology research and development. Prior to TI, he was leading the next-generation power GaN product development as the Director, Device Engineering and Member of the Technical Staff at Efficient Power Conversion (EPC) from 2014 to 2022. In the technical community, Dr. Tang is currently serving on the technical program committees of IEEE IEDM and WiPDA, and is also a JEDEC JC-70 committee member and co-chair on Standards for GaN Device Test & Characterization Methods. He is an editor of multiple technical journals including IEEE Transactions on Electron Devices (T-ED), Japanese Journal of Applied Physics (JJAP) and Applied Physics Express (APEX). He is an IEEE Senior Member, EDS Compound Semiconductor Devices and Circuits Committee Member, and Member of the Japan Society of Applied Physics (JSAP). Dr. Tang has co-authored over 50 technical publications, more than 20 US patents and applications, and 1 book chapter in the field of GaN power device and IC technologies. He received the B.S. degree in Microelectronics from the University of Electronic Science and Technology of China and the Ph.D. degree in Electronic and Computer Engineering from the Hong Kong University of Science and Technology in 2010 and 2014, respectively.
