氮化鎵（GaN）功率器件在幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)上比硅（Si）具有優(yōu)勢。具有低固有載流子濃度的寬帶隙具有更高的臨界電場，能實(shí)現(xiàn)更薄的漂移層，同時(shí)在較高的擊穿電壓下可以降低導(dǎo)通電阻（Rds（on））。由于使用較低的Rds（on）可以降低傳導(dǎo)損耗，而使用GaN可以減小芯片尺寸并降低動態(tài)損耗。當(dāng)GaN與鋁基異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)形成二維電子氣體（2DEG）的能力導(dǎo)致了備受青睞的高電子遷移率晶體管（HEMT）功率器件。固有的高飽和速度以及高2DEG遷移率使高頻開關(guān)具有更小磁性元件的相應(yīng)優(yōu)勢。由于HEMT中沒有體二極管而造成的損耗較低，節(jié)電容減小，能獲得高速率開關(guān)，這可以轉(zhuǎn)化為較低的開關(guān)損耗，從而大大提高功率轉(zhuǎn)換效率。

氮化鎵的主要特點(diǎn)：

氮化鎵的帶隙為3.2電子伏特（eV），幾乎是硅（1.1 eV）的三倍。

GaN可在電壓高達(dá)650V的功率應(yīng)用中與MOSFET和超結(jié)（SJ）MOSFET競爭。

GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）具有出色的 RDS（on）和品質(zhì)因數(shù)（FOM）值。根據(jù)電壓和電流額定值，品質(zhì)因數(shù)可以比超結(jié)（SJ）FET低4至10倍。

GaN的擊穿場為3.3MV/cm，而硅的擊穿場為0.3MV/cm。

耗盡模式（d模式）和增強(qiáng)模式（e模式）構(gòu)成了橫向HEMT器件的兩大類。最近，人們開始對針對更高電壓（>900V）應(yīng)用的垂直GaN器件感興趣。圖1顯示了這三種器件類別的表示形式，我們將在下一步更詳細(xì)地討論。

圖1：GaN功率器件的分類

D模式HEMT

GaN功率HEMT通常在硅襯底上制造。由于這些橫向器件在產(chǎn)生2DEG的AlGaN/GaN界面上傳導(dǎo)電流，因此可以在Si基板上沉積一個相對較薄的GaN層，中間放置一個緩沖層。這緩解了兩種材料之間的晶格不匹配。大多數(shù)生產(chǎn)是在150毫米晶圓上 - 然而，一些，如Innoscience，是在200毫米基板上制造的。耗盡模式或d模式器件能在無柵極偏置下形成自然2DEG通道，因此通常處于開啟狀態(tài)。這些器件的典型負(fù)閾值電壓（Vt）為-5V至-20V。圖2顯示了該器件的簡化器件橫截面。

圖2：e型和d型HEMT的簡化器件橫截面（圖片來源：GaN Power International）

在大多數(shù)功率應(yīng)用中，從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來看，正常開啟的器件是非常不可取的。因此，如圖1所示，d模式HEMT通常與級聯(lián)低壓（LV）Si MOSFET或直接驅(qū)動方法結(jié)合使用?，F(xiàn)在，讓我們更詳細(xì)地看一下這些選項(xiàng)中的每一個。

級聯(lián)D模式晶體管/硅MOS場效應(yīng)管

Transphorm和Nexperia（安世半導(dǎo)體）是制造級聯(lián)器件的公司。圖3所示為該級聯(lián)電路的原理圖。

圖3：d模式氮化鎵/硅MOSFET級聯(lián)等效原理圖（圖片來源：安世半導(dǎo)體）

這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是柵極驅(qū)動。由于硅MOSFET的驅(qū)動閾值電壓在3-4V范圍內(nèi)，柵極氧化物的典型額定值為+/-20 V，因此驅(qū)動器具有較寬的工作窗口，而級聯(lián)器件具有強(qiáng)大的安全裕度和良好的抗噪性?？梢允褂脝螛O柵極驅(qū)動器，例如用于Si應(yīng)用的驅(qū)動器。此外，級聯(lián)電路可在第三象限工作，存在續(xù)流Si MOSFET體二極管以及更低的Rds（on）溫度系數(shù)，在高溫應(yīng)用中具有優(yōu)勢。與典型的e模式器件相比，級聯(lián)電路中的柵極泄漏（Igss）可降低多達(dá)兩個數(shù)量級。憑借更高的柵極裕量，可提供熱效率更高的TO-247型封裝產(chǎn)品。提供符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的汽車器件。級聯(lián)方法的一些缺點(diǎn)可能包括較高的柵極和輸出電容、Si MOSFET體二極管的反向恢復(fù)損耗、高壓快速開關(guān)下Si MOSFET的潛在可靠性問題、電壓變化率控制較少以及在電壓<200 V時(shí)效率較低（由于硅器件的Rds（on）貢獻(xiàn)百分比較大）。與e模式器件相比，開關(guān)損耗可能更高。

直接驅(qū)動

德州儀器（TI）和VisIC技術(shù)公司均生產(chǎn)集成柵極驅(qū)動D模式GaN產(chǎn)品。直接驅(qū)動可以克服上面列出級聯(lián)電路的一些缺點(diǎn)。圖4顯示了TI LMG3422R030直接驅(qū)動GaN產(chǎn)品的功能框圖，該產(chǎn)品使用與GaN HEMT共封裝的硅控制芯片。智能柵極控制可避免Si MOSFET 反向恢復(fù)、低電感驅(qū)動器/HEMT封裝集成以及集成保護(hù)電路和電壓變化率控制，從而實(shí)現(xiàn)更高的閉環(huán)性能。

圖4：TI LMG3422R030氮化鎵直驅(qū)產(chǎn)品功能框圖

D模式級聯(lián)或直接驅(qū)動產(chǎn)品目前針對200 – 800V范圍的工業(yè)和汽車應(yīng)用，如電信服務(wù)器電源、太陽能和電池電源逆變器、工業(yè)自動化和電動汽車車載充電。在許多這些應(yīng)用中，特別是在更高的電壓/功率空間中，它們面臨著來自碳化硅（SiC）器件的競爭。

E模式

商業(yè)上最受歡迎的e型HEMT結(jié)構(gòu)是在柵極上使用p-GaN層，如圖1所示。實(shí)現(xiàn)的典型Vt范圍為1-2V。HEMT在開關(guān)應(yīng)用中的固有優(yōu)勢得以保留，開關(guān)損耗可以更低。e模式器件的主要缺點(diǎn)之一是其低Vt，這可能導(dǎo)致柵極對噪聲和dV/dt瞬變的抗擾度較差。出于可靠性原因，最大柵極電壓通常限制在6-7V，可能需要負(fù)電壓來關(guān)斷器件。封裝和柵極電阻（Rg）選擇對于確保安全可靠的器件操作變得更加重要。低柵極電感（Lg）和公共源電感（Lcs）可確保過沖和振鈴控制，以防止器件誤導(dǎo)通。可能需要有源米勒鉗位以及與源極的開爾文連接，以改善柵極電壓控制。硬開關(guān)應(yīng)用中的死區(qū)時(shí)間損耗也可能很大，特別是在負(fù)柵極電壓條件下，因?yàn)槿鄙倮m(xù)流二極管會產(chǎn)生較高的反向源極漏極（Vsd）電壓。

多家公司提供E模式氮化鎵產(chǎn)品，如Navitas、高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）、氮化鎵電源國際（GaN Power International）、GaN Systems、英飛凌、英諾科（Innoscience）、劍橋氮化鎵器件（Cambridge GaN Devices）、Rohm、意法半導(dǎo)體和Wise Integrations。鑒于上述柵極驅(qū)動的限制，許多人選擇了一種更加集成的方法，我們將在下面討論。

柵極驅(qū)動魯棒性

Cambridge GaN Devices（CGD）創(chuàng)造了一個集成了柵極驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換器的單片芯片。有效Vt增加到3V，使其與現(xiàn)成的柵極驅(qū)動器兼容。該集成包括一個用于高dV/dt操作的米勒箝位。集成的開爾文和源電流檢測允許在無需額外源電阻器的情況下進(jìn)行柵極監(jiān)視和控制，從而使FET源極焊盤直接粘接到接地層以改善冷卻。

圖5：Cambridge GaN Devices的CGD65A055S2 ICeGaN? GaN E模式HEMT，具有改進(jìn)的柵極驅(qū)動窗口和電流檢測

整體式全氮化鎵集成

Navitas通過將柵極驅(qū)動和保護(hù)電路集成到單個芯片中的工藝進(jìn)一步推進(jìn)了集成，如圖6所示。

圖6：Navitas NV6134氮化鎵產(chǎn)品簡化框圖

電感Lcs和Lg降低，從而避免了柵極過沖和快速柵極關(guān)斷時(shí)間，從而大大降低了關(guān)斷損耗。該器件集成了一個電流檢測和壓擺率控制功能，以優(yōu)化硬開關(guān)期間的開通，從而最大限度地降低EMI。過溫（OTP）和過流（OCP）等保護(hù)功能可提高魯棒性。

手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)類快速充電器應(yīng)用在消費(fèi)類快速充電器市場（約20至300W）的整個GaN市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。其它應(yīng)用包括LiDAR、照明、電機(jī)驅(qū)動器和電信電源。

封裝創(chuàng)新是E模式器件的關(guān)鍵。這方面的一個例子是來自GaN Systems的GaNpx封裝，如圖7所示。這是一種無引線鍵合嵌入式封裝，利用銅通孔實(shí)現(xiàn)低熱阻和低電感封裝。例如GS66516T產(chǎn)品具有僅0.27K/W的結(jié)殼熱阻，與傳統(tǒng)的TO-247型封裝相比具有優(yōu)勢。大于 80W/in^3^的高功率密度在數(shù)據(jù)中心電源已經(jīng)演示。

圖7：GaN Systems的Ganpx?封裝（圖片來源：Link)

垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵場效應(yīng)管

橫向GaN HEMT主要集中在<800V應(yīng)用領(lǐng)域。Si或碳化硅（SiC）垂直結(jié)構(gòu)功率器件在>700V應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。最近人們對在GaN基板上制造的GaN垂直器件感興趣，以克服橫向器件的一些高壓限制。Nexgen Power Systems和奧德賽半導(dǎo)體是兩家致力于此類器件的公司。

“垂直結(jié)構(gòu)GaN對于功率器件是有意義的。Si和SiC高功率器件是垂直的，其優(yōu)點(diǎn)是BV是由外延特性設(shè)定的，而不是由橫向芯片尺寸設(shè)定的。垂直電流路徑有助于熱傳導(dǎo)，提供更低的 Rds（on）并且本質(zhì)上更可靠。垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵在SiC目前的電壓下提供了氮化鎵的寶貴開關(guān)特性，“奧德賽半導(dǎo)體首席執(zhí)行官M(fèi)ark Davidson說。

Davidson解釋說：“當(dāng)需要高于900V的額定電壓時(shí)，硅上的橫向GaN功率器件具有實(shí)際限制，因?yàn)樾酒叽缱兊锰?。我們將垂直GaN FET與1200V橫向FET進(jìn)行了比較 – 對于同一Rds（on），橫向GaN FET芯片尺寸比垂直GaN FET大5倍。與SiC相比，材料在遷移率和較高臨界場方面的優(yōu)勢在比導(dǎo)通電阻方面提供了10倍的優(yōu)勢。如圖8所示，這使得在4“ GaN晶圓上制造的垂直GaN芯片比在6”晶圓上制造的SiC芯片具有成本優(yōu)勢，同時(shí)也提供了顯著的性能優(yōu)勢。Odyssey驗(yàn)證了我們生產(chǎn)1200V垂直GaN器件的方法，下一步的重點(diǎn)是可重復(fù)性，產(chǎn)量和客戶反饋。我們快速創(chuàng)新，從我們在紐約自己的晶圓廠學(xué)習(xí)快速循環(huán)。我們已經(jīng)看到汽車和其它客戶非常感興趣，他們將垂直GaN視為提高效率和功率密度的重要下一步?！薄?/p>

圖8：SiC和垂直結(jié)構(gòu)GaN之間的晶圓成本/收入比較（圖片來源：奧德賽半導(dǎo)體）

氮化鎵供應(yīng)鏈

Yole Group的《2022年功率GaN報(bào)告》中的圖9列出了銷售GaN功率產(chǎn)品的公司及其制造供應(yīng)鏈。只有少數(shù)像TI，Transphorm和Innoscience這樣的公司擁有垂直整合的制造能力，包括設(shè)計(jì)，外延和器件加工。像Nexperia這樣的其它公司有自己的Fab，但依賴于外部的外延片供應(yīng)商。使用臺積電，三安集成和Episil等代工廠的無晶圓廠公司包括CGD，Navitas，GaN Systems，EPC和Wise Integration。垂直結(jié)構(gòu)GaN公司Nexgen和奧德賽都有自己的晶圓廠。

文章來源：功率半導(dǎo)體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅