氮化镓(GaN)功率器件技术解析

氮化镓（GaN）功率器件在几个关键性能指标上比硅（Si）具有优势。具有低固有载流子浓度的宽带隙具有更高的临界电场，能实现更薄的漂移层，同时在较高的击穿电压下可以降低导通电阻（Rds（on））。由于使用较低的Rds（on）可以降低传导损耗，而使用GaN可以减小芯片尺寸并降低动态损耗。当GaN与铝基异质结构结合时形成二维电子气体（2DEG）的能力导致了备受青睐的高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件。固有的高饱和速度以及高2DEG迁移率使高频开关具有更小磁性元件的相应优势。由于HEMT中没有体二极管而造成的损耗较低，节电容减小，能获得高速率开关，这可以转化为较低的开关损耗，从而大大提高功率转换效率。

氮化镓的主要特点：

氮化镓的带隙为3.2电子伏特（eV），几乎是硅（1.1 eV）的三倍。

GaN可在电压高达650V的功率应用中与MOSFET和超结（SJ）MOSFET竞争。

GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）具有出色的 RDS（on）和品质因数（FOM）值。根据电压和电流额定值，品质因数可以比超结（SJ）FET低4至10倍。

GaN的击穿场为3.3MV/cm，而硅的击穿场为0.3MV/cm。

耗尽模式（d模式）和增强模式（e模式）构成了横向HEMT器件的两大类。最近，人们开始对针对更高电压（>900V）应用的垂直GaN器件感兴趣。图1显示了这三种器件类别的表示形式，我们将在下一步更详细地讨论。

图1：GaN功率器件的分类

D模式HEMT

GaN功率HEMT通常在硅衬底上制造。由于这些横向器件在产生2DEG的AlGaN/GaN界面上传导电流，因此可以在Si基板上沉积一个相对较薄的GaN层，中间放置一个缓冲层。这缓解了两种材料之间的晶格不匹配。大多数生产是在150毫米晶圆上 - 然而，一些，如Innoscience，是在200毫米基板上制造的。耗尽模式或d模式器件能在无栅极偏置下形成自然2DEG通道，因此通常处于开启状态。这些器件的典型负阈值电压（Vt）为-5V至-20V。图2显示了该器件的简化器件横截面。

图2：e型和d型HEMT的简化器件横截面（图片来源：GaN Power International）

在大多数功率应用中，从系统实现的角度来看，正常开启的器件是非常不可取的。因此，如图1所示，d模式HEMT通常与级联低压（LV）Si MOSFET或直接驱动方法结合使用。现在，让我们更详细地看一下这些选项中的每一个。

级联D模式晶体管/硅MOS场效应管

Transphorm和Nexperia（安世半导体）是制造级联器件的公司。图3所示为该级联电路的原理图。

图3：d模式氮化镓/硅MOSFET级联等效原理图（图片来源：安世半导体）

这种方法的最大优点是栅极驱动。由于硅MOSFET的驱动阈值电压在3-4V范围内，栅极氧化物的典型额定值为+/-20 V，因此驱动器具有较宽的工作窗口，而级联器件具有强大的安全裕度和良好的抗噪性。可以使用单极栅极驱动器，例如用于Si应用的驱动器。此外，级联电路可在第三象限工作，存在续流Si MOSFET体二极管以及更低的Rds（on）温度系数，在高温应用中具有优势。与典型的e模式器件相比，级联电路中的栅极泄漏（Igss）可降低多达两个数量级。凭借更高的栅极裕量，可提供热效率更高的TO-247型封装产品。提供符合AEC-Q101标准的汽车器件。级联方法的一些缺点可能包括较高的栅极和输出电容、Si MOSFET体二极管的反向恢复损耗、高压快速开关下Si MOSFET的潜在可靠性问题、电压变化率控制较少以及在电压<200 V时效率较低（由于硅器件的Rds（on）贡献百分比较大）。与e模式器件相比，开关损耗可能更高。

直接驱动

德州仪器（TI）和VisIC技术公司均生产集成栅极驱动D模式GaN产品。直接驱动可以克服上面列出级联电路的一些缺点。图4显示了TI LMG3422R030直接驱动GaN产品的功能框图，该产品使用与GaN HEMT共封装的硅控制芯片。智能栅极控制可避免Si MOSFET 反向恢复、低电感驱动器/HEMT封装集成以及集成保护电路和电压变化率控制，从而实现更高的闭环性能。

图4：TI LMG3422R030氮化镓直驱产品功能框图

D模式级联或直接驱动产品目前针对200 – 800V范围的工业和汽车应用，如电信服务器电源、太阳能和电池电源逆变器、工业自动化和电动汽车车载充电。在许多这些应用中，特别是在更高的电压/功率空间中，它们面临着来自碳化硅（SiC）器件的竞争。

E模式

商业上最受欢迎的e型HEMT结构是在栅极上使用p-GaN层，如图1所示。实现的典型Vt范围为1-2V。HEMT在开关应用中的固有优势得以保留，开关损耗可以更低。e模式器件的主要缺点之一是其低Vt，这可能导致栅极对噪声和dV/dt瞬变的抗扰度较差。出于可靠性原因，最大栅极电压通常限制在6-7V，可能需要负电压来关断器件。封装和栅极电阻（Rg）选择对于确保安全可靠的器件操作变得更加重要。低栅极电感（Lg）和公共源电感（Lcs）可确保过冲和振铃控制，以防止器件误导通。可能需要有源米勒钳位以及与源极的开尔文连接，以改善栅极电压控制。硬开关应用中的死区时间损耗也可能很大，特别是在负栅极电压条件下，因为缺少续流二极管会产生较高的反向源极漏极（Vsd）电压。

多家公司提供E模式氮化镓产品，如Navitas、高效功率转换（EPC）、氮化镓电源国际（GaN Power International）、GaN Systems、英飞凌、英诺科（Innoscience）、剑桥氮化镓器件（Cambridge GaN Devices）、Rohm、意法半导体和Wise Integrations。鉴于上述栅极驱动的限制，许多人选择了一种更加集成的方法，我们将在下面讨论。

栅极驱动鲁棒性

Cambridge GaN Devices（CGD）创造了一个集成了栅极驱动电平转换器的单片芯片。有效Vt增加到3V，使其与现成的栅极驱动器兼容。该集成包括一个用于高dV/dt操作的米勒箝位。集成的开尔文和源电流检测允许在无需额外源电阻器的情况下进行栅极监视和控制，从而使FET源极焊盘直接粘接到接地层以改善冷却。

图5：Cambridge GaN Devices的CGD65A055S2 ICeGaN™ GaN E模式HEMT，具有改进的栅极驱动窗口和电流检测

整体式全氮化镓集成

Navitas通过将栅极驱动和保护电路集成到单个芯片中的工艺进一步推进了集成，如图6所示。

图6：Navitas NV6134氮化镓产品简化框图

电感Lcs和Lg降低，从而避免了栅极过冲和快速栅极关断时间，从而大大降低了关断损耗。该器件集成了一个电流检测和压摆率控制功能，以优化硬开关期间的开通，从而最大限度地降低EMI。过温（OTP）和过流（OCP）等保护功能可提高鲁棒性。

手机和笔记本电脑等消费类快速充电器应用在消费类快速充电器市场（约20至300W）的整个GaN市场中占据主导地位。其它应用包括LiDAR、照明、电机驱动器和电信电源。

封装创新是E模式器件的关键。这方面的一个例子是来自GaN Systems的GaNpx封装，如图7所示。这是一种无引线键合嵌入式封装，利用铜通孔实现低热阻和低电感封装。例如GS66516T产品具有仅0.27K/W的结壳热阻，与传统的TO-247型封装相比具有优势。大于 80W/in^3^的高功率密度在数据中心电源已经演示。

图7：GaN Systems的Ganpx®封装（图片来源：Link)

垂直结构氮化镓场效应管

横向GaN HEMT主要集中在<800V应用领域。Si或碳化硅（SiC）垂直结构功率器件在>700V应用领域占据主导地位。最近人们对在GaN基板上制造的GaN垂直器件感兴趣，以克服横向器件的一些高压限制。Nexgen Power Systems和奥德赛半导体是两家致力于此类器件的公司。

“垂直结构GaN对于功率器件是有意义的。Si和SiC高功率器件是垂直的，其优点是BV是由外延特性设定的，而不是由横向芯片尺寸设定的。垂直电流路径有助于热传导，提供更低的 Rds（on）并且本质上更可靠。垂直结构氮化镓在SiC目前的电压下提供了氮化镓的宝贵开关特性，“奥德赛半导体首席执行官Mark Davidson说。

Davidson解释说：“当需要高于900V的额定电压时，硅上的横向GaN功率器件具有实际限制，因为芯片尺寸变得太大。我们将垂直GaN FET与1200V横向FET进行了比较 – 对于同一Rds（on），横向GaN FET芯片尺寸比垂直GaN FET大5倍。与SiC相比，材料在迁移率和较高临界场方面的优势在比导通电阻方面提供了10倍的优势。如图8所示，这使得在4“ GaN晶圆上制造的垂直GaN芯片比在6”晶圆上制造的SiC芯片具有成本优势，同时也提供了显著的性能优势。Odyssey验证了我们生产1200V垂直GaN器件的方法，下一步的重点是可重复性，产量和客户反馈。我们快速创新，从我们在纽约自己的晶圆厂学习快速循环。我们已经看到汽车和其它客户非常感兴趣，他们将垂直GaN视为提高效率和功率密度的重要下一步。”。

图8：SiC和垂直结构GaN之间的晶圆成本/收入比较（图片来源：奥德赛半导体）

氮化镓供应链

Yole Group的《2022年功率GaN报告》中的图9列出了销售GaN功率产品的公司及其制造供应链。只有少数像TI，Transphorm和Innoscience这样的公司拥有垂直整合的制造能力，包括设计，外延和器件加工。像Nexperia这样的其它公司有自己的Fab，但依赖于外部的外延片供应商。使用台积电，三安集成和Episil等代工厂的无晶圆厂公司包括CGD，Navitas，GaN Systems，EPC和Wise Integration。垂直结构GaN公司Nexgen和奥德赛都有自己的晶圆厂。

文章来源：功率半导体生态圈

审核编辑：汤梓红