GaN是常用半導(dǎo)體材料中能隙最寬、臨界場最大、飽和速度最高的材料。此外，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自發(fā)壓電極化產(chǎn)生二維電子氣 (2DEG)，具有高遷移率和高溝道密度，無需使用摻雜。這些因素有助于最小化導(dǎo)通電阻 (RON)，并且橫向 GaN 器件結(jié)構(gòu)具有極小的寄生電容和開關(guān)電荷，可實(shí)現(xiàn)非常高頻的操作。

GaN 是一種寬帶隙 (WBG) 材料，其帶隙為3.4 eV（Si 為 1.12 eV，4H-SiC 為 3.2 eV）這使GaN 能夠在更高的溫度下工作，從而也提高了使用 GaN HEMT 的轉(zhuǎn)換器的潛在功率密度。GaN 的熱導(dǎo)率為 2.0 W/cmK，介于導(dǎo)熱率為 1.5 W/cmK 的 Si 和4.9 W/cmK 的 4H-SiC 之間。

GaN 的 3.3?MV/cm 的高擊穿場比 Si 的0.3?MV/cm 高 11 倍。這意味著GaN 層可以比 Si 薄 11 倍，并且仍能承受相同的電壓，并且 GaN 層將具有較低的電阻率，從而有助于降低 RON。GaN 的高溝道遷移率（高達(dá) 2000?cm2/V?s）和高飽和速度（2.5?×?107?cm/s）也有助于降低 RON。

**▍**橫向 d-GaN 和 e-GaN

在橫向 GaN HEMT 中，柵極、源極和漏極都在頂部，柵極位于 AlGaN 層上，源極和漏極穿過 AlGaN 層與下面的 2DEG 形成歐姆接觸，這就是電流產(chǎn)生的地方。

在d型和e型的HEMT中，較高電壓的器件在漏極和柵極之間有較大的分離。D型GaN器件通常是導(dǎo)通的，電流在漏極和源極之間流動(dòng)，而柵極上沒有施加電位。當(dāng)使用d-GaN器件時(shí)，必須在打開功率變換器之前關(guān)閉開關(guān)，以避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)短路。在功率變換應(yīng)用中，D型GaN HEMT不能作為獨(dú)立的開關(guān)使用。

圖源：Odyssey Semi

功率轉(zhuǎn)換器中使用的 GaN HEMT 必須是常關(guān)器件，以確保安全運(yùn)行：如果柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉或發(fā)生故障且其輸出為零，則 HEMT 必須關(guān)閉。如果不修改 d 型 GaN 結(jié)構(gòu)，這是不可能的。兩種常見的解決方案是：

在柵極和 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間放置一個(gè) p-GaN 或 p-AlGaN 層。p 型層有效地耗盡了 VGS = 0 的 2DEG，從而產(chǎn)生了常關(guān)器件， 這種方法稱為 e-GaN。

使用一對級聯(lián)器件，包括一個(gè)d-GaN HEMT和一個(gè)低電壓Si MOSFET。使用Si MOSFET來打開和關(guān)閉組合器件是有優(yōu)勢的，而GaN HEMT則提供了高電壓和低RON操作。

圖源：GaN Systems

**▍**級聯(lián)型氮化鎵

級聯(lián)結(jié)構(gòu)將高壓 d-GaN HEMT（例如 600V）和低壓 Si MOSFET（通常為 30V 器件）共同封裝以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模式運(yùn)行。Si MOSFET 用于在 RON 或反向恢復(fù)電荷 (QRR) 增加最小的情況下打開和關(guān)閉 GaN HEMT。與單獨(dú)使用 GaN 器件相比，將 600V GaN 器件與 Si MOSFET 結(jié)合使用時(shí)，RON 增加不到 5%。QRR的增加甚至更低，組合結(jié)構(gòu)的QRR比額定值與高壓HEMT相同的高壓Si MOSFET低約一個(gè)數(shù)量級。

圖源：Power Integrations

級聯(lián)器件的效率和熱特性與e-GaN器件相似。但是，級聯(lián)結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固可靠的硅介質(zhì)柵極結(jié)構(gòu)，其有效柵極額定值高達(dá)±20V，使其與標(biāo)準(zhǔn)、低成本的柵極驅(qū)動(dòng)IC兼容。

級聯(lián)器件通常用于高電壓、大電流和大功率的應(yīng)用，如汽車系統(tǒng)。使用符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的Si MOSFET可以簡化級聯(lián)器件的汽車認(rèn)證。相對較高的4V閾值電壓最大限度地減少了由于高dv/dt或di/dt而導(dǎo)致的意外導(dǎo)通的可能性，并最大限度地減少了擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

**▍**用于高壓的 v-GaN

雖然現(xiàn)在的 GaN FET 采用橫向結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)硅（Si）和碳化硅（SiC）功率器件采用垂直結(jié)構(gòu)，采用雜質(zhì)摻雜來制造器件橫向。GaN FET是在硅晶圓上制造的，硅晶圓價(jià)格相對低廉，而且有大尺寸，有助于最大限度地降低d-GaN和e-GaN器件的成本。

在硅上生長氮化鎵的一個(gè)缺點(diǎn)是氮化鎵層中晶體缺陷的增加，可能達(dá)到108 cm-2，甚至更大。這些缺陷降低了器件的高壓能力，將橫向GaN器件限制在900V或更低。

在大多數(shù)電源或電池供電的應(yīng)用中，額定電壓為900V或更低的器件就足夠了，橫向 GaN 器件解決了一個(gè)非常大的市場。對于更高的電壓應(yīng)用，目前使用的是Si和SiC器件，而新興的v-GaN技術(shù)是針對需要額定電壓為1kV及以上的器件的應(yīng)用。

v-GaN器件需要塊狀GaN襯底。由于漂移區(qū)和襯底都是GaN，缺陷密度需要比生長在Si襯底上的橫向GaN低得多。v-GaN結(jié)構(gòu)的缺陷密度約為103至105 cm-2，比橫向結(jié)構(gòu)低1000至10000倍。v-GaN器件結(jié)構(gòu)的低缺陷密度將轉(zhuǎn)化為高達(dá)10kV或更高的額定電壓。

圖源：Odyssey Semi

目前，尺寸大于 100mm 的塊狀GaN 襯底不可用，顯著增加了 v-GaN 器件的成本。然而，v-GaN 器件的裸片尺寸比 SiC 器件小得多，有助于縮小成本差距。更大塊狀 GaN 襯底的可用性將是降低 v-GaN 功率晶體管成本的關(guān)鍵之一。允許使用更小、成本更低的無源器件的更高頻率以及 v-GaN 功率轉(zhuǎn)換器預(yù)期的更高效率也將成為未來采用這種新興技術(shù)的關(guān)鍵。

**▍**總結(jié)

GaN HEMT 的卓越性能部分源于材料特性，包括寬帶隙、臨界場以及飽和速度等等。GaN 器件具有非常小的寄生電容和開關(guān)電荷，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的頻率運(yùn)行。

而現(xiàn)在也有許多 GaN 解決方案，包括分立的 e-mode GaN 晶體管、采用低電壓 Si MOSFET 的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的 d-mode 高壓 GaN 器件等等，再加上v-GaN 器件的出現(xiàn)，有望將 GaN 的工作電壓從目前的 600 V 到 900 V 提高到10 kV 或更高。

審核編輯：劉清