什么是d-GaN、e-GaN 和 v-GaN？其有何特点及应用？

GaN是常用半导体材料中能隙最宽、临界场最大、饱和速度最高的材料。此外，AlGaN/GaN 异质结构的自发压电极化产生二维电子气 (2DEG)，具有高迁移率和高沟道密度，无需使用掺杂。这些因素有助于最小化导通电阻 (RON)，并且横向 GaN 器件结构具有极小的寄生电容和开关电荷，可实现非常高频的操作。

GaN 是一种宽带隙 (WBG) 材料，其带隙为3.4 eV（Si 为 1.12 eV，4H-SiC 为 3.2 eV）这使GaN 能够在更高的温度下工作，从而也提高了使用 GaN HEMT 的转换器的潜在功率密度。GaN 的热导率为 2.0 W/cmK，介于导热率为 1.5 W/cmK 的 Si 和4.9 W/cmK 的 4H-SiC 之间。

GaN 的 3.3 MV/cm 的高击穿场比 Si 的0.3 MV/cm 高 11 倍。这意味着GaN 层可以比 Si 薄 11 倍，并且仍能承受相同的电压，并且 GaN 层将具有较低的电阻率，从而有助于降低 RON。GaN 的高沟道迁移率（高达 2000 cm2/V s）和高饱和速度（2.5 × 107 cm/s）也有助于降低 RON。

**▍**横向 d-GaN 和 e-GaN

在横向 GaN HEMT 中，栅极、源极和漏极都在顶部，栅极位于 AlGaN 层上，源极和漏极穿过 AlGaN 层与下面的 2DEG 形成欧姆接触，这就是电流产生的地方。

在d型和e型的HEMT中，较高电压的器件在漏极和栅极之间有较大的分离。D型GaN器件通常是导通的，电流在漏极和源极之间流动，而栅极上没有施加电位。当使用d-GaN器件时，必须在打开功率变换器之前关闭开关，以避免启动时出现短路。在功率变换应用中，D型GaN HEMT不能作为独立的开关使用。

图源：Odyssey Semi

功率转换器中使用的 GaN HEMT 必须是常关器件，以确保安全运行：如果栅极驱动器关闭或发生故障且其输出为零，则 HEMT 必须关闭。如果不修改 d 型 GaN 结构，这是不可能的。两种常见的解决方案是：

在栅极和 AlGaN/GaN 异质结构之间放置一个 p-GaN 或 p-AlGaN 层。p 型层有效地耗尽了 VGS = 0 的 2DEG，从而产生了常关器件， 这种方法称为 e-GaN。

使用一对级联器件，包括一个d-GaN HEMT和一个低电压Si MOSFET。使用Si MOSFET来打开和关闭组合器件是有优势的，而GaN HEMT则提供了高电压和低RON操作。

图源：GaN Systems

**▍**级联型氮化镓

级联结构将高压 d-GaN HEMT（例如 600V）和低压 Si MOSFET（通常为 30V 器件）共同封装以实现增强模式运行。Si MOSFET 用于在 RON 或反向恢复电荷 (QRR) 增加最小的情况下打开和关闭 GaN HEMT。与单独使用 GaN 器件相比，将 600V GaN 器件与 Si MOSFET 结合使用时，RON 增加不到 5%。QRR的增加甚至更低，组合结构的QRR比额定值与高压HEMT相同的高压Si MOSFET低约一个数量级。

图源：Power Integrations

级联器件的效率和热特性与e-GaN器件相似。但是，级联结构具有坚固可靠的硅介质栅极结构，其有效栅极额定值高达±20V，使其与标准、低成本的栅极驱动IC兼容。

级联器件通常用于高电压、大电流和大功率的应用，如汽车系统。使用符合AEC-Q101标准的Si MOSFET可以简化级联器件的汽车认证。相对较高的4V阈值电压最大限度地减少了由于高dv/dt或di/dt而导致的意外导通的可能性，并最大限度地减少了击穿风险。

**▍**用于高压的 v-GaN

虽然现在的 GaN FET 采用横向结构，但大多数硅（Si）和碳化硅（SiC）功率器件采用垂直结构，采用杂质掺杂来制造器件横向。GaN FET是在硅晶圆上制造的，硅晶圆价格相对低廉，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。

在硅上生长氮化镓的一个缺点是氮化镓层中晶体缺陷的增加，可能达到108 cm-2，甚至更大。这些缺陷降低了器件的高压能力，将横向GaN器件限制在900V或更低。

在大多数电源或电池供电的应用中，额定电压为900V或更低的器件就足够了，横向 GaN 器件解决了一个非常大的市场。对于更高的电压应用，目前使用的是Si和SiC器件，而新兴的v-GaN技术是针对需要额定电压为1kV及以上的器件的应用。

v-GaN器件需要块状GaN衬底。由于漂移区和衬底都是GaN，缺陷密度需要比生长在Si衬底上的横向GaN低得多。v-GaN结构的缺陷密度约为103至105 cm-2，比横向结构低1000至10000倍。v-GaN器件结构的低缺陷密度将转化为高达10kV或更高的额定电压。

图源：Odyssey Semi

目前，尺寸大于 100mm 的块状GaN 衬底不可用，显着增加了 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，有助于缩小成本差距。更大块状 GaN 衬底的可用性将是降低 v-GaN 功率晶体管成本的关键之一。允许使用更小、成本更低的无源器件的更高频率以及 v-GaN 功率转换器预期的更高效率也将成为未来采用这种新兴技术的关键。

**▍**总结

GaN HEMT 的卓越性能部分源于材料特性，包括宽带隙、临界场以及饱和速度等等。GaN 器件具有非常小的寄生电容和开关电荷，能够实现非常高的频率运行。

而现在也有许多 GaN 解决方案，包括分立的 e-mode GaN 晶体管、采用低电压 Si MOSFET 的级联结构的 d-mode 高压 GaN 器件等等，再加上v-GaN 器件的出现，有望将 GaN 的工作电压从目前的 600 V 到 900 V 提高到10 kV 或更高。

审核编辑：刘清