電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）功率GaN的大規(guī)模應(yīng)用，其實也只有六七年的歷史，從2018手機(jī)快速充電器上才正式吹響了普及的號角。目前，從晶體管來看，功率GaN主要的產(chǎn)品是HEMT（高電子遷移率晶體管）。另一方面，功率GaN的技術(shù)路線從不同的層面看還有非常豐富的種類。

器件模式

功率GaN FET目前有兩種主流方向，包括增強型E-Mode和耗盡型D-Mode。其中增強型GaN FET是單芯片常關(guān)器件，而耗盡型GaN FET是雙芯片常關(guān)器件（共源共柵Cascode結(jié)構(gòu)）。

E-Mode的GaN器件在沒有施加門極電壓時，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，需要施加正向門極電壓來打開器件。這種器件具有較好的開關(guān)特性，適用于高頻率、高效率的應(yīng)用，例如DC-DC變換器、LED驅(qū)動器等。不過E-Mode GaN器件的柵極可能存在穩(wěn)定性和漏電流的問題，可能會影響器件的可靠性和性能。

Mode的GaN器件在沒有施加門極電壓時，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，需要施加負(fù)向門極電壓來關(guān)閉器件。這種器件具有較好的線性特性和較低的開關(guān)損耗，適用于一些需要高精度控制和低噪聲的應(yīng)用，比如音頻放大器、射頻功率放大器等。而由于D-Mode GaN器件采用了Cascode結(jié)構(gòu)，可靠性更高，在高功率、高電壓、大電流應(yīng)用中，這種器件適用性更高，比如在電動汽車、工業(yè)等應(yīng)用上。但另一方面D-Mode的封裝復(fù)雜度會增加，開關(guān)頻率也因此受到限制。

從主要的玩家來看，英飛凌（以及剛收購的GaN Systems）、EPC、英諾賽科、納微半導(dǎo)體、松下、量芯微等主要是走E-Mode路線；而Transphorm、PI、TI、安世、鎵未來、華潤微（潤新微）等主要走D-Mode路線。

外延襯底材料

因為GaN襯底制備難度大，價格高昂，因此目前GaN一般都是在異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延，再在外延片上制作器件。功率GaN器件的襯底主要有SiC、Si、藍(lán)寶石這三種，其中GaN on SiC主要在射頻領(lǐng)域用于功率放大器，GaN on Sapphire則主要用于LED領(lǐng)域。

而電源領(lǐng)域的GaN開關(guān)器件主要是Si和藍(lán)寶石襯底。在GaN功率開關(guān)產(chǎn)品上，大多數(shù)廠商都是基于Si襯底制造的，這是因為Si襯底價格較低，且能夠與現(xiàn)有硅晶圓產(chǎn)業(yè)鏈很好地兼容。

目前業(yè)內(nèi)大規(guī)模出貨GaN on Sapphire 功率GaN器件的廠商主要是Transphorm，去年Transphorm推出了業(yè)界首款1200 V GaN-on-Sapphire器件仿真模型，這也是業(yè)界唯一一款1200 V GaN-on-Sapphire功率器件。

另外國內(nèi)致能科技也在近期成功在6英寸藍(lán)寶石襯底上實現(xiàn)了1700V GaN HEMTs器件，并在IEEE Electron Device Letters期刊發(fā)表相關(guān)研究成果。

平面型和垂直型

垂直GaN中“垂直”是指器件的結(jié)構(gòu)，簡單可以理解為器件中陽極和陰極相對的位置，目前大多數(shù)硅基GaN器件是平面型結(jié)構(gòu)，即陽極和陰極處于芯片同一平面上，導(dǎo)通電流在器件中橫向流動；而垂直型GaN一般是基于GaN襯底，GaN襯底底面為陰極，陽極則位于上方，導(dǎo)通電流是豎向流動。

相比橫向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN襯底同質(zhì)外延層，具有更低的位錯密度，器件可靠性高，性能也更高。而具體到器件上，GaN二極管和晶體管都能采用垂直結(jié)構(gòu)。

由于器件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，在相同的器件面積下，可以通過增加位于晶體管內(nèi)部的漂移層（用于傳導(dǎo)電流）的厚度，來提高電壓等級，能夠用于更高電壓的應(yīng)用中；同時，電流導(dǎo)通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度。

另外，垂直結(jié)構(gòu)能夠更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化柵源二極管發(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加?xùn)旁措妷翰⑶覝系来蜷_并導(dǎo)通。這是一種設(shè)備自我保護(hù)的重要屬性，如果器件兩端電壓或?qū)ǖ碾娏鞒霈F(xiàn)峰值，擁有雪崩特性的器件就可以吸收這些電涌并保持正常運行，在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。

目前，業(yè)內(nèi)在垂直GaN器件上商業(yè)落地進(jìn)展最快的大概是美國Odyssey 公司，該公司在去年第一季度宣布已經(jīng)向客戶提供樣品，而最快在2023年第四季度之前還將會提供更多樣品。