制造氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMTs）具有一定難度，這主要歸因于材料本身以及制造工藝中的多項挑戰。

圖1展示了GaNHEMT的典型結構。

圖1 GaN開關構建在硅襯底上，其上形成了一個橫向二維電子氣（2DEG）通道，通道位于AlGaN/GaN異質外延結構中，具有極高的電荷密度和電子遷移率。

異質外延技術被用于GaN功率開關的制造工藝，使GaN晶體材料能夠在不同的導電晶體上生長。大多數GaN器件采用GaN-on-Si（硅基氮化鎵）技術進行制造。采用GaN-on-Si技術的原因是硅材料豐富且成本低廉，并且硅晶圓可大規模供應。硅基襯底為新一代GaN功率器件的生產提供了一個強大且可靠的解決方案。將GaN與硅襯底結合的GaN功率開關能夠實現低導通電阻。

近年來，在大面積硅晶圓上生長純GaN材料的技術取得了重大進展。這一技術結合CMOS工藝的發展，有助于制造出性能優異且具有成本效益的混合型功率開關。

對于GaN HEMT，其源極與漏極之間形成一個電子通道所構成的導電路徑。該導電通道內的電子流可通過控制柵極與源極之間的電壓來調節。GaNHEMT在源極和漏極之間誘導出一個高電子遷移率通道，因此可以實現高導電性的漏源通道。

一層高電阻率的純氮化鎵為GaN晶體管提供了構建基礎。在這層純氮化鎵和大尺寸襯底之間生長一層薄薄的氮化鋁（AlN），該氮化鋁層作為緩沖層，將純GaN材料與襯底隔離開。隨后，在純氮化鎵層頂部再生長一層薄的鋁鎵氮（AlGaN）層。AlGaN層由于其壓電特性會在物理上引起應變，從而在兩層材料的界面處吸引電子形成所謂的二維電子氣（2DEG）層。這個界面層由于極高的電子遷移率和高電場強度，可以提供極低的導通電阻。

GaN功率開關的漏極和源極端口被放置在二維電子氣層之上，而柵極端口位于AlGaN層之上。為了獲得高耐壓的GaN功率開關，通常會增加漏極與柵極之間的距離。雖然該距離增加，但由于二維電子氣層的低電阻性，導通電阻不會受到明顯影響。關斷過程則通過耗盡二維電子氣層通道中的電子來實現。

氮化鎵材料與制造工藝的挑戰

首先是襯底方面的挑戰。雖然原生GaN襯底理想，但由于GaN熔點高、難以生長出大尺寸且高質量的單晶，成本非常高，難以實現規模化生產。因此，GaN通常在藍寶石、碳化硅（SiC）或硅等異質襯底上生長，而這些材料的晶格常數與GaN不匹配，容易產生缺陷，從而降低器件性能與可靠性。

第二，在GaN外延生長方面，特別是采用MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）方法時，需要非常高的溫度以及對氣體流量和純度的精確控制。這樣的生長條件提高了工藝復雜性、設備成本及成品率風險。

第三，即使是最優質的GaN外延層，其缺陷密度仍然高于硅材料。雖然GaN器件可以容忍部分缺陷，但過多的位錯仍可能影響器件的可靠性和擊穿電壓。

第四，由于GaN器件的高功率密度，它們在較小區域內會產生大量熱量。高效的熱管理較難實現，特別是在導熱性能較差的藍寶石或硅襯底上更是如此。

第五，GaN是一種硬質、化學穩定性強的材料，使其難以通過傳統硅工藝進行刻蝕和加工。柵極結構形成與絕緣技術仍處于不斷開發階段，往往需要額外的工藝步驟。

第六，高頻高功率GaN器件對封裝技術提出了更高要求，需要特殊封裝以實現更好的散熱并減少寄生電感和電容。傳統的硅基封裝技術往往不適配GaN器件，導致產品成本和復雜度上升。

盡管存在上述挑戰，芯干線公司在GaN制造技術方面已有效應對了這些關鍵難題。芯干線的GaNHEMT器件采用硅襯底，因為硅成本低廉且晶圓尺寸大。通過生長緩沖層（如AlN或漸變GaN層）逐步過渡晶格常數，從而減少位錯。

芯干線公司還采用橫向外延生長（LEO）技術，在橫向跨越缺陷區域生長GaN，以降低位錯密度。其GaN制造中采用感應耦合等離子體（ICP）刻蝕，并優化化學刻蝕工藝，以實現更干凈、精準的GaN圖形刻蝕。其p-GaN柵極技術使得器件實現常關型（增強型）工作模式，這對于功率電子應用至關重要。低電感封裝技術也被采用，以降低高頻下的寄生效應。

芯干線公司進一步通過3D封裝與集成技術提升器件性能并減小體積，實現驅動器與GaN器件在一個緊湊模塊中集成。

芯干線公司的一款代表性產品為XG045HB065G1，這是一款650VGaN嵌入式半橋模塊，集成了兩個GaNHEMT、兩個柵極驅動器以及一個高側柵極電壓轉換器。這種集成方案有助于簡化工程設計，縮小PCB面積，并減少功率半導體器件數量。

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芯干線科技是一家由功率半導體資深海歸博士、電源行業市場精英和一群有創業夢想的年輕專業人士所創建寬禁帶功率器件原廠。2022年被評為規模以上企業，2023年國家級科技型中小企業、國家級高新技術企業，通過了ISO9001生產質量管理體系認證。在2024年通過了IATF16949汽車級零部件生產質量管理體系認證。

公司自成立以來，深耕于功率半導體Si MOS & IGBT、GaN HEMT、SiC MOS & SBD、IGBT 和 SiC Module等功率器件及模塊的研發和銷售。產品被廣泛應用于消費、光伏、儲能、汽車、Ai服務器、工業自動化等能源電力轉換與應用領域。

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