使用GaN设计高功率器件

从 70 年代下半叶开始，电源管理应用的主导技术是基于 MOSFET(金属氧化物硅场效应晶体管)器件，在效率和成本降低方面不断取得进步和改进。然而，随着第三个千年的到来，新解决方案和对现有技术的改进逐渐放缓，这主要是由于硅基技术接近其理论极限。MOSFET 最初是作为双极晶体管的替代品推出的，由于其高开关速度、稳健性和更高的增益电流，已迅速在电源解决方案中占据一席之地。在它们的主要应用中，我们可以提到 AC-DC 开关电源、电机驱动电路、荧光灯电路、DC-DC 转换器等。

HEMT 晶体管使用的结构的特点是电子的高迁移率，这首先通过使用由 GaN 和 AlGaN 组成的异质结结构来证明。通过将相同的现象应用于由沉积在碳化硅 (SiC) 上的氮化镓组成的结构，可以获得用于射频应用的晶体管，其工作频率为几千兆赫。在接下来的几年里，随着第一个 eGaN(增强型硅上氮化镓)FET 晶体管的推出，该技术得到了进一步完善，该晶体管专门设计为成为 MOSFET 功率晶体管的具有成本效益和高效的替代品。氮化镓技术的时代由此开始，设备能够使用现有的生产设施以低成本和大批量生产。

氮化镓技术概述

五十多年来，硅一直是电子工业中的主要半导体类型，由于一些突出的特性，它能够在其他材料(如锗或硒)上建立自己的地位，例如：

可靠性;

易于使用和处理;

低成本。

硅的物理特性可以总结在图1的表格中，其中与后续一代材料(氮化镓和碳化硅)的物理特性进行了比较。

图 1：Si、GaN 和 SiC 材料的主要特性比较

对于电源应用中使用的器件，在评估材料时要考虑的主要特性如下：传导效率、击穿电压、开关效率、尺寸和成本。使用图 1中所示的参数值，可以推导出作为特定材料击穿电压函数的导通电阻(也称为 RDSON，电导率的倒数)的理论值：所得结果图表如图2所示。

图 2：Si、SiC e GaN 的理论导通电阻 (RDSON) 与击穿电压

从图 2的检查中，我们可以立即观察到 SiC 和 GaN 如何在导通电阻和击穿电压之间呈现更好的关系，这是由更高的临界电场强度值决定的。使用这两种材料的主要优势包括更紧凑的封装尺寸。此外，由于电子的高迁移率，GaN 允许构建具有最小传导损耗的功率器件。

GaN 和 eGaN 结构

使用 GaN 技术制造的晶体管的基本结构如图 3上半部分所示，其中源极、栅极和漏极三个端子(每个 FET 晶体管的典型特征)清晰可见。源漏电极穿过AlGaN上层，与二维电子气(2DEG)形成的底层形成欧姆型接触。因此在源极和漏极之间产生的短路保持活跃，直到 2DEG 层释放的电子耗尽，然后 GaN 半绝缘层介入，阻止电流流动。

图 3：使用 GaN 技术制造的晶体管的基本结构

为了使这种机制发生，栅电极必须放置在 AlGaN 层上方。在大多数 GaN 晶体管中，栅电极由直接放置在层表面上的肖特基接触制成。通过向该电极施加负电压，肖特基势垒变为反向偏置，有利于下层中的电子运动。因此，要使器件进入关断状态，必须对漏电极和源电极施加负电压。刚刚描述的基本结构也称为 d 模式(耗尽模式)，并提供良好的性能以及相对简单的制造工艺。

耗尽型器件的典型示例是 HFET(异质结构场效应晶体管)。它的主要缺点是它通常处于导通状态，在上电阶段给设计人员带来了潜在的问题。然而，d 模式结构提供了与传统低压硅 MOSFET 具有相同栅极特性的重要优势，允许使用市场上已有的 MOSFET 栅极驱动器。在高功率应用中，使用增强型(e 模式)结构，主要是因为它不受前述限制的影响。如果没有栅极电压施加到具有 e 模式结构的 GaN MOSFET，晶体管将保持在关断状态并且没有电流传导。

增强型结构，如图3下半部分, 也是 FET 晶体管的典型特征，其中突出显示了漏极、源极和栅极端子。该器件从硅晶片开始制造，在该硅晶片上沉积氮化镓异质结，当没有电压施加到栅极时，该器件通常处于关断状态。导电通道是通过在高电阻 GaN 层顶部沉积一层薄薄的 AlGaN 制成的。AlGaN 和 GaN 之间的界面产生应变压电效应，形成高度移动的二维电子气 (2DEG)。器件的上层由电介质和金属布线保护组成。如此获得的结构允许通过在栅极上施加正电压使 FET 进入导通状态，这与使用沟道 n 硅技术实现的 FET 功率晶体管中发生的情况类似。

由于以下特性，Gan HEMT 晶体管的性能优于硅基晶体管：

QOSS: 传统的硅功率晶体管具有陡峭的非线性输出电荷特性。GaN晶体管具有线性充电特性，可实现更高的工作频率和软开关电路;

EOSS：存储在COSS 中的能量针对硅基晶体管进行了改进，在高开关频率下实现了更好的效率;

Qrr: 由于沟道中没有少数载流子需要恢复，所以GaN晶体管中的反向恢复电荷为零;

Qg：栅极电荷影响开关频率，GaN 的 Qg比硅晶体管低约七倍;

功率损耗：GaN 晶体管的传导损耗低于等效的硅基晶体管，从而提高了效率和功率密度。

结论

任何功率器件的不可或缺的要求是效率、可靠性、可控性和成本效益。没有这些基本特征，采用新技术设计的功率器件就没有成功的机会和经济可行性。五十多年来，硅基晶体管一直是主要的电源解决方案。在被认为是硅的继承者的几种新结构和材料中，氮化镓技术与硅相比具有多项优势，使其成为实现高效功率器件的理想选择。增强型晶体管与功率 MOSFET 非常相似，但具有改进的高速开关、更低的导通电阻和更小的尺寸。如果我们将高密度封装添加到这些新功能中，我们将获得能够降低功率损耗、系统尺寸、成本。

　　审核编辑：汤梓红