提到 GaN（氮化镓）芯片，大家总能听到GaN、AlGaN、2DEG、HEMT、D-mode、E-mode、pGaN 这些专业名词。专业名词一多了看的时候总容易看不懂，这篇文章就来一文解说这些专业名词，让大家轻松看懂GaN芯片结构。

目前 P 型 GaN HEMT 在 GaN 功率芯片市场占据绝对主导地位，也是我们日常用到的快充、电源等产品里的主流芯片。今天就只聊这一种结构，用最通俗的话，把所有术语和它们的关系一次性讲透，看完就能明白这些术语各自是什么、彼此之间又是如何关联的。

01 先搞懂核心前提：GaN，AlGaN是自发极化的材料

想要看懂 GaN 芯片，首先要抓住它的材料特性。

GaN 采用纤锌矿（wurtzite）晶体结构。这种结构有一个特点：原子排列不具备中心对称性，加上 Ga 和 N 之间存在一定的"电荷不均匀分布"（即离子键特征），使得整个晶体内部天然存在一个方向固定的电偶极矩——这就是自发极化（spontaneous polarization）。如图所示，在 Ga-face 外延结构中，自发极化方向 Psp 指向下方；若是 N-face 结构，方向则相反。

可以把它想象成一块"天生就有正负极"的材料：即便没有外加电场，在自发极化的作用下，材料内部已经形成了固有的正负电荷分层。以上图的 Ga-face 结构为例，负电荷积聚在上方，正电荷积聚在下方。

AlGaN 的晶体结构和 GaN 完全相同——可以把上图中的部分 Ga 原子替换成 Al 原子来理解：全部替换就是 AlN，替换一部分就是 AlGaN。因此，AlGaN 同样具有自发极化特性。

而且，AlGaN 的自发极化比 GaN 更强。原因在于：Al 和 N 之间的电负性差距比 Ga 和 N 更大，电荷分布更加不均匀。因此，AlGaN 即便没有外加电场，其内部的正负电荷分层程度也比 GaN 更显著——两端积聚的极化电荷密度更高。

02 二维电子气2DEG，高电子迁移率晶体管HEMT

当在 GaN 上生长一层 AlGaN 的时候，可以发现靠近 AlGaN 和 GaN 界面的位置，正负电荷出现了不平衡——界面附近积聚了多余的正极化电荷。

这些正极化电荷将电子吸引到交界面附近，形成了一层集中在 GaN 一侧的电子层。这些电子可以在界面平面内自由移动，不受晶格掺杂散射的阻碍，因此把它们称为二维电子气（2DEG，two-dimensional electron gas）。

除了上述由于 AlGaN 和 GaN 自发极化电场强度不同造成的界面电子聚集，还有另一个由压电特性造成的电子聚集。自发极化是基础，压电极化进一步增强了 2DEG 浓度。

由于 GaN 和 AlGaN 的晶格大小不一样，AlGaN 的晶格更小，生长在 GaN 上之后，AlGaN 会被 GaN 的晶格"撑开"，承受横向拉伸应力。由于横向被拉伸，根据材料的泊松效应，纵向（垂直方向）会相应收缩，使得材料本身原本就不重合的正电中心与负电中心距离进一步增大，产生了压电极化效应（piezoelectric polarization）。这个压电极化效应同样会沿纵向产生电场，在上下界面处积聚极化电荷。对于 AlGaN 来说，压电极化效应与自发极化效应产生的电场方向相同，因此进一步增加了界面处二维电子气的聚集。

对于 MOSFET 等 SiC、Si 功率芯片来说，产生可移动的电子需要掺杂。掺杂虽然增加了电子数量，但同时也阻碍了电子的运动——这也是为什么掺杂浓度过高反而会增加电阻的原因。

然而，AlGaN 和 GaN 界面的 2DEG 完全不依赖掺杂，电子移动的阻碍极小，这就是 HEMT（High Electron Mobility Transistor 高电子迁移率晶体管）名字的由来。只要在左右两端接上电极（源极和漏极），电流就能轻松双向导通。

03 D-mode（耗尽型）：不加栅极电压导通，加栅极负压关断

GaN 和 AlGaN 叠在一起时，由于两种材料的自发极化强度不同，在界面处会产生一个极化电场。这个电场会吸引电子聚集在界面附近，形成一层薄薄的二维电子气（2DEG），使源极和漏极之间保持导通——这就是 D-mode（耗尽型） GaN 器件的常开特性。

如果想要关闭，需要在栅极施加负电压。当栅极施加负电压时，会在 AlGaN 中产生一个与极化方向相反的电场。两个电场叠加后，极化对电子的吸引效果被逐渐抵消。当负电压足够大时，栅极下方的 2DEG 完全消失，源漏之间的导电通道被切断，器件关断。

需要注意的是，极化本身始终存在，并没有被削弱——负栅压只是在效果上与之对抗。（用能带图解释最为准确，但为了便于理解，这里暂不展开。）

这种不加栅极电压常开、施加负电压才关闭的模式，就是 D-mode（耗尽型 GaN）。

04 E-mode（增强型）：不加栅极电压关断，加栅极正压导通

上面这种 D-mode 其实和我们日常的器件逻辑不太相符，一般逻辑是：不加电压关闭，加正电压导通。

为了实现"不加电压关闭，加正电压导通"的常规逻辑，核心就是在不加外部电压的时候，如何把 AlGaN 中的极化电场弱化。

常用的方法是，如图所示，在 AlGaN 层的栅极区域加上一小块 pGaN。pGaN 是在 GaN 中掺入镁（Mg），使其成为 P 型半导体。

一提到 P 型半导体，很容易想到 PN 结，其实这里也是类似的原理。在一般的 PN 结中，由于空穴和电子相互扩散，会在界面附近形成一个耗尽层，耗尽层中的电场从 N 区指向 P 区，用来阻止空穴和电子的进一步扩散。

pGaN 形成在 AlGaN 表面之后，同样会发生类似的扩散，最终在 pGaN 与 AlGaN 之间形成一个从 AlGaN 指向 pGaN 的内建电场（即向上）。这个方向与 AlGaN 自发极化电场的方向（向下）正好相反，从而削弱了界面处对电子的吸引，2DEG 消失，器件关断。

当给栅极加上正电压后，可以发现与pGaN形成的指向pGaN的电压想法，抵消了pGaN的作用，电子重新回到AlGaN和GaN界面，器件导通。

这种默认关闭、加正压导通的模式，就是 E-mode（增强型 GaN），完美适配电路使用逻辑，也是现在所有 GaN 快充里的核心模式。

05 衬底技术：GaN 芯片的制造工艺复杂程度超过 SiC 芯片

近几年 GaN on Si 技术实现重大突破，大幅降低了生产成本，是 GaN 芯片能在手机快充领域彻底爆发的核心原因。

上面介绍的 pGaN/AlGaN/GaN 结构，并不是直接在 GaN 晶圆上生成的。如图所示，是在 Si 晶圆上，依次生长一层 AlN seed layer、AlGaN buffer layer，然后再生长 GaN。

这里有两个需要解决的问题。第一，前面提到 AlGaN 是自发极化材料，这里的 AlN seed layer 和 AlGaN buffer layer 同样会产生自发极化效应，需要控制其对上方 GaN 中 2DEG 的影响。

第二，Si、AlN、GaN 之间存在晶格常数不匹配和热膨胀系数不匹配（CTE mismatch，即不同材料在温度变化时膨胀和收缩的幅度不一致）两个问题，生长过程中会产生较大应力，需要通过 AlGaN buffer layer 逐步过渡，减少缺陷和晶圆翘曲。

因此，实际生产中需要对 AlGaN buffer layer 进行掺杂、厚度控制、温度控制、成分控制等一系列精细调节。

可以看出，GaN 芯片利用的是自发极化材料的特性来实现导电功能，对各层的厚度、成分、应力都有严格要求，制造复杂程度比 SiC 芯片要高出不少。

06 最后一步：绝缘 + 电极，完整芯片成型

解决了核心的开关结构和衬底问题后，只需要在 GaN 芯片上方设计绝缘层保护内部结构，再制作源极、栅极、漏极等电极引出电路接口，一颗完整的 GaN 功率芯片就完成了。

07 总结

读完本文，以下几个核心概念就可以串联起来了：

GaN 和 AlGaN 都是具有自发极化特性的材料，叠在一起后，因极化强度不同，在界面处天然形成二维电子气（2DEG）。

2DEG 无需掺杂、可自由移动，这就是HEMT（高电子迁移率晶体管）名字的由来。

默认情况下 2DEG 始终存在、器件常开，这就是D-mode（耗尽型）。

在栅极区域引入pGaN，利用其内建电场抵消极化效应，使器件默认关断、加正压导通，这就是E-mode（增强型），也是 GaN 快充芯片的核心工作模式。

文章图片引用自：Lidow, A., De Rooij, M., Glaser, J., Pozo, A., Zhang, S., Palma, M., ... & Strydom, J. (2025). GaN power devices for efficient power conversion. John Wiley & Sons.

来源：SiC产学研

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