「GaN初识-1」神奇的「氮化镓」

导 读

在一些电力电子应用中，宽带隙材料已开始取代硅。目前，氮化镓（GaN）可能是电力电子领域最具挑战性的技术，它可以开发出功率密度更高、导通电阻更小、开关频率极高的器件。

01.

氮化镓初识

氮化镓这种半导体材料的宽带隙可产生高临界电场，与具有相同额定电压的硅基器件相比，可设计出漂移区更短的电子器件，从而降低导通电阻。由于开关速度高，在转换器应用中，氮化镓电力电子器件需要仔细设计功率回路布局。

此外，还必须采用适当的封装，以减少杂散电感，并对器件的高能量密度进行散热。与具有相同电流和电压速率的硅功率器件相比，芯片尺寸大幅缩小，而且目前可以达到很高的开关频率（高达数十兆赫），从而可以减少功率转换器的总体积。功率转换器体积的缩小是转换器与执行器（如集成模块化电机驱动器）集成的关键点。

开关功率损耗的降低为转换器应用提供了越来越高效的解决方案，为不断扩大的电力电子市场带来了新的机遇。有多个电力电子应用领域受益于氮化镓器件的技术进步，特别是在低压（<200 V）电源领域，这些领域目前对现代社会的影响越来越大，如电信/数据通信、服务器 SMPS 和无线充电。

氮化镓也是将可再生能源与电源转换器、电动汽车、工业自动化和模块化电池管理系统（BMS）进行集成的一项有利技术，通常电压较高（目前，650 V 是高压氮化镓的标准电压，一些功率器件制造的最高电压可达 1200 V）。上述所有应用中的宽带隙半导体都改善了功率转换器的功能，减轻了重量、体积，降低了生命周期成本。

此外，随着人们对小型、长寿命、自主、电池供电的便携式设备的需求日益增长，GaN 技术作为一种有吸引力的应对措施，在不久的将来肯定能得到广泛应用。

在全球市场指数极具代表性的中国，消费电子应用领域的功率 GaN 器件市场预计将从 2021 年的 7960 万美元增长到 2027 年的 9.647 亿美元（资料来源：Power GaN 报告，Yole intelligence 2023）。

■ 图1：GaN power electronic devices in long-term evolution for the Chinese market

(Source Power GaN report, Yole intelligence 2023）

图 1 描述了氮化镓器件向电力电子市场渗透的演变过程，重点介绍了它们的应用。目前，成本是主要限制之一，而可靠性和耐用性则随着新一代器件的上市而逐步改善，这要归功于应用设计师和工程师的不懈努力，他们强调了这些器件的局限性和应用机会。

02.

氮化镓技术：概述与发展

第一个氮化镓器件于 2004 年左右问世，是由 Eudyna Corporation 在日本制造的耗尽型射频 (RF) 晶体管。第一个半导体 RF 晶体管使用的是GaN-on-SiC。几年后，基于GaN的技术开始应用于不同结构布置的电力电子开关中。2009 年，Efficient Power Conversion (EPC) 开发出首款增强型氮化镓场效应晶体管 (GaN FET)。从那时起，氮化镓器件的发展就没有停止过，目标也越来越远大。

氮化镓功率器件的发展时间表和主要参与企业，如图 2所示。

■ 图 2. 氮化镓电力电子器件里程碑和主要行业参与者。

氮化镓功率器件是宽带隙材料（WBG），属于高电子迁移率晶体管（HEMT）。这些半导体电子晶体管的特点是由两种具有不同原子间距和带隙的晶体材料交界处产生的二维电子气体（2DEG）。极化效应诱发异质结（AlGaN/GaN）中的二维电子气现象，从而导致电子的高迁移率。

多种因素促使功率开关设计人员投入大量精力制造 WBG 材料器件。为了更好地认识 WBG 功率器件先进性能背后的原因，图 3a 对硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓的重要材料特性进行了比较。图 3 中的 SiC 器件采用的是 4H-SiC 技术。电力电子器件制造商使用这种技术是因为它具有各向同性的结构。从图 3a 中可以看出，与 Si 相比，WBG 材料具有更好的特性，如较高的热导率、电子迁移率和击穿电场。氮化镓和碳化硅的性能各不相同，各有优缺点，根据应用类型选择其中一种更佳。

■ 图 3.(a) 环境温度 (25°C) 下 Si、4H-SiC 和 GaN 器件关键材料特性的雷达图； (b) Si、SiC 和 GaN 电力电子开关应用领域。

氮化镓的热导率低于碳化硅，这种增强的导热特性以更好的方式将热量从半导体器件的结点传递到外壳。更好的导热性能使 SiC 器件具有更高的电流/功率密度。相反，氮化镓的主要特性是 HEMT 特性，这意味着晶体管沟道中的迁移率非常高。电子迁移率通常在 2000 cm2/Vs 左右，几乎是碳化硅 MOSFET 的 100 倍。这是低导通电阻值的一个显著优势。这样就可以获得面积更小的器件。此外，开关瞬态时间非常短，开关频率比 SiC 器件更高。

经过对上述器件技术的比较，可以断言碳化硅器件具有更高的功率/电流密度。相比之下，氮化镓器件的传导损耗更低，开关频率更高。如图 3b 所示，器件的应用涵盖了技术发展的不同领域，并有一些重叠。从成本角度来看，目前 SiC 材料的成本低于 GaN 材料。

大多数制造商采用硅基氮化镓（GaN）结构，在其上使用大尺寸硅衬底进行氮化镓外延层生长，以利用现有设施和技术并降低制造成本。目前的技术方法导致了具有横向结构的氮化镓半导体功率器件的发展。在横向结构中，源极和漏极之间的电子流会在器件中形成不均匀的电场分布，在特定的器件区域会出现峰值；这种现象限制了其全面阻断电压的技术潜力。

当然，氮化镓功率器件的垂直结构正在开发中。与硅和碳化硅器件一样，垂直设计可通过增加电压阻断层的厚度来提高击穿电压。垂直结构是一种很有前景的解决方案，可在由碳化硅和硅器件主导的高压市场中不断扩大渗透率。要开发出具有竞争力的垂直 GaN 器件结构，必须克服一些问题，如 p-GaN 的离子注入和长期可靠性。

可靠性是 HEMT 器件进入大众市场扩展功率应用的关键制约因素。制造商对器件的可靠性进行了深入研究，以达到并满足保证氮化镓结构安全的标准。特别地，AlGaN晶体的制造可以被精确控制，不完美或意外缺陷会导致开关运行失败。与氮化镓器件的耐用性相关的另一个需要考虑的方面是开关运行期间的导通电阻 RDSon。

在开关模式功率转换器中，氮化镓功率晶体管的动态导通电阻（Dynamic-RDSon）会增加。在横向 AlGaN/GaN 器件结构中，与漏极侧区域相邻的栅极边缘的电场量对动态-导通电阻的变化有很大影响。此外，相邻的半导体状态以及电子的注入和捕获也会影响这些区域的退化，从而导致器件损耗和温度的增加（GaN HEMT 结构中的不良特征）。

近年来，氮化镓功率晶体管设计人员一直在努力控制和减少这种现象，因为这种现象会导致功率转换器在开关过程中出现严重的运行问题，并随着开关过程中漏极电流（ID）的减小（称为电流崩塌）而降低其性能。

其中一个例子是栅极注入晶体管（GIT）结构的高电压、常关GaN器件的出现，它能有效解决动态RDSon的退化问题。该器件从 AlGaN/GaN 异质结处的附加 p-AlGaN 层注入空穴，以释放捕获的电子，并通过大幅降低通态电阻来增加沟道中的电子密度。

OK，今天先更新到这里。下期「GaN初识」我们将从以下几点出发：

◎ 氮化镓功率器件：分类和运行

◎ 氮化镓结构的集成

◎ 封装解决方案

来源： 芯TIP

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