硅基氮化镓功率技术：器件和应用

在过去几年中，氮化镓（GaN）在半导体技术中显示出巨大的潜力，适用于各种高功率应用。与硅基半导体器件相比，氮化镓是一种物理上坚硬且稳定的宽带隙（WBG）半导体，具有快速的开关速度，更高的击穿强度和高导热性。

氮化镓晶体可以在蓝宝石，碳化硅（SiC），硅（Si）等多种衬底上生长。为了在硅上实现这种增长，仍然可以使用现有的制造基础设施，从而消除了对昂贵的生产场地的需求，并以低成本利用现成的大直径硅晶圆。

硅上氮化镓具有广泛的未来应用，扩展了当前的HEMT功能，将功率水平提高到1kW以上。该技术可帮助设计人员提高工作电压，并将频率响应从Ka波段推入E波段、W波段和太赫兹空间。本文由香港科技大学电子及计算机科技系的一组研究人员提出。

硅氮化镓级联结构（600V级）

图1：升压转换器原理图

上图显示了600V级Si上GaN器件的应用，该器件具有升压转换器和快速二极管。开关器件Q1和升压二极管D1在输入和输出电容C1和C2的电路中，以增强电压稳定性。当Q1处于导通状态时，输入电压施加在L1两端。当Q1处于关断状态时，二极管D1将存储的能量放电到输出。有两种工作模式 - 连续导通模式和不连续导通模式。在连续导通模式下，电感电流保持在零以上，在不连续导通模式下，电感完全释放其储存的能量。

具有高/低侧晶体管的桥式电路

图2：半桥开关电路原理图

在上图中，Q1和Q2都是GaN Cascode器件。当栅极处于OFF状态时，每个器件都能够阻断反向电导率电压。当栅极导通时，相应的器件以最小的压降提供正向和反向电导率。如果在开关节点U与DC或低频中间电位W之间添加电感L，则半桥可以配置为升压转换器、降压转换器或DC-AC逆变器。为了检验性能，使用升压转换器进行了测试，该转换器使用600V/52mOhm GaN级联开关和650V/43mOhm最先进的Si SJ MOSFET，针对低Q值进行了优化。在进行实验时，观察到除开关器件外，所有电路组件都是相同的。

硅上氮化镓器件的未来

它是否支持重要的新应用？

Si上的GaN能够在简单的硬开关模式中以高频率和高功率水平运行。这在运行期间提供了低损耗，这在未来几年对于功率转换至关重要，并且还将影响伺服电机驱动器，紧凑型EV充电器等应用。目前，硅上氮化镓用于卫星，用于自动驾驶汽车的激光雷达，增强现实系统，机器人等。GaN晶体管和IC是商用的，比类似的硅最先进的器件快5到50倍。

它易于使用吗？

除了性能之外，GaN晶体管的性能与目前可用的其它传统功率MOSFET非常相似。这使得功率系统工程师和其它技术人员更容易设计电路，只需最少的额外培训。但需要特别注意电路中的寄生电感。

由于GaN器件更小，它们需要更严格的组装公差，相当于计算机和电信设备中使用的公差。该技术已被证明可以顺利集成到为硅MOSFET设计的基础设施中，一旦设计和制造专业人员对更小，更高效的GaN器件更加熟悉。

它是否具有成本效益？

GaN晶体管的制造工艺与硅功率MOSFET的制造非常相似。GaN器件比硅器件小得多。因此，可以同时制造更多器件。此外，GaN晶体管是低压晶体管（<500V），不需要与硅MOSFET相同的昂贵封装。在未来几年，随着GaN技术研究的完成，设计工程师可以预期价格将进一步降低，使这些系统比传统的硅基器件具有越来越大的市场优势。

它可靠吗？

截至今天，几家GaN晶体管制造商在内部应力测试和性能检验中报告了出色的结果。除此之外，还有大量的GaN晶体管在实际的地面应用中经历了数十亿小时的累积时间，与硅MOSFET相比，它们已被证明具有更高的现场可靠性。

结论

研究人员总结道：“硅基氮化镓器件技术在导通电阻、开关速度、热性能、芯片尺寸和成本方面表现出令人印象深刻的性能。GaN功率半导体的快速发展将导致电力电子子系统的进一步小型化。

参考文献：

[1] K. J. Chen et al., “GaN-on-Si Power Technology: Devices and Applications,” in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, no. 3, pp. 779-795, March 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2657579.

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[4] K. V. Smith, J. Haller, J. Guerrero, R. P. Smith, R. Lal, and Y.-F. Wu, “Lifetime tests of 600-V GaN-on-Si power switches and HEMTs,” Microelectron. Reliab., vol. 58, pp. 197–203, Mar. 2016.

来源：智森汇