氮化鎵(GaN)功率器件技術解析

氮化鎵（GaN）功率器件在幾個關鍵性能指標上比硅（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，能實現(xiàn)更薄的漂移層，同時在較高的擊穿電壓下可以降低導通電阻（Rds（on））。由于使用較低的Rds（on）可以降低傳導損耗，而使用GaN可以減小芯片尺寸并降低動態(tài)損耗。當GaN與鋁基異質結構結合時形成二維電子氣體（2DEG）的能力導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遷移率使高頻開關具有更小磁性元件的相應優(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，這可以轉化為較低的開關損耗，從而大大提高功率轉換效率。

氮化鎵的主要特點：

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650V的功率應用中與MOSFET和超結（SJ）MOSFET競爭。

GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）具有出色的 RDS（on）和品質因數(shù)（FOM）值。根據(jù)電壓和電流額定值，品質因數(shù)可以比超結（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）和增強模式（e模式）構成了橫向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)功率應用中，從系統(tǒng)實現(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或直接驅動方法結合使用?，F(xiàn)在，讓我們更詳細地看一下這些選項中的每一個。

級聯(lián)D模式晶體管/硅MOS場效應管

Transphorm和Nexperia（安世半導體）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：安世半導體）

這種方法的最大優(yōu)點是柵極驅動。由于硅MOSFET的驅動閾值電壓在3-4V范圍內，柵極氧化物的典型額定值為+/-20 V，因此驅動器具有較寬的工作窗口，而級聯(lián)器件具有強大的安全裕度和良好的抗噪性。可以使用單極柵極驅動器，例如用于Si應用的驅動器。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標準的汽車器件。級聯(lián)方法的一些缺點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損耗、高壓快速開關下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時效率較低（由于硅器件的Rds（on）貢獻百分比較大）。與e模式器件相比，開關損耗可能更高。

直接驅動

德州儀器（TI）和VisIC技術公司均生產(chǎn)集成柵極驅動D模式GaN產(chǎn)品。直接驅動可以克服上面列出級聯(lián)電路的一些缺點。圖4顯示了TI LMG3422R030直接驅動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、低電感驅動器/HEMT封裝集成以及集成保護電路和電壓變化率控制，從而實現(xiàn)更高的閉環(huán)性能。

圖4：TI LMG3422R030氮化鎵直驅產(chǎn)品功能框圖

D模式級聯(lián)或直接驅動產(chǎn)品目前針對200 – 800V范圍的工業(yè)和汽車應用，如電信服務器電源、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結構是在柵極上使用p-GaN層，如圖1所示。實現(xiàn)的典型Vt范圍為1-2V。HEMT在開關應用中的固有優(yōu)勢得以保留，開關損耗可以更低。e模式器件的主要缺點之一是其低Vt，這可能導致柵極對噪聲和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，可能需要負電壓來關斷器件。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。硬開關應用中的死區(qū)時間損耗也可能很大，特別是在負柵極電壓條件下，因為缺少續(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、意法半導體和Wise Integrations。鑒于上述柵極驅動的限制，許多人選擇了一種更加集成的方法，我們將在下面討論。

柵極驅動魯棒性

Cambridge GaN Devices（CGD）創(chuàng)造了一個集成了柵極驅動電平轉換器的單片芯片。有效Vt增加到3V，使其與現(xiàn)成的柵極驅動器兼容。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，具有改進的柵極驅動窗口和電流檢測

整體式全氮化鎵集成

Navitas通過將柵極驅動和保護電路集成到單個芯片中的工藝進一步推進了集成，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斷時間，從而大大降低了關斷損耗。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）等保護功能可提高魯棒性。

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

封裝創(chuàng)新是E模式器件的關鍵。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)

垂直結構氮化鎵場效應管

橫向GaN HEMT主要集中在<800V應用領域。Si或碳化硅（SiC）垂直結構功率器件在>700V應用領域占據(jù)主導地位。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和奧德賽半導體是兩家致力于此類器件的公司。

“垂直結構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)點是BV是由外延特性設定的，而不是由橫向芯片尺寸設定的。垂直電流路徑有助于熱傳導，提供更低的 Rds（on）并且本質上更可靠。垂直結構氮化鎵在SiC目前的電壓下提供了氮化鎵的寶貴開關特性，“奧德賽半導體首席執(zhí)行官Mark Davidson說。

Davidson解釋說：“當需要高于900V的額定電壓時，硅上的橫向GaN功率器件具有實際限制，因為芯片尺寸變得太大。我們將垂直GaN FET與1200V橫向FET進行了比較 – 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，同時也提供了顯著的性能優(yōu)勢。Odyssey驗證了我們生產(chǎn)1200V垂直GaN器件的方法，下一步的重點是可重復性，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習快速循環(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?！?。

圖8：SiC和垂直結構GaN之間的晶圓成本/收入比較（圖片來源：奧德賽半導體）

氮化鎵供應鏈

Yole Group的《2022年功率GaN報告》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，包括設計，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。垂直結構GaN公司Nexgen和奧德賽都有自己的晶圓廠。

文章來源：功率半導體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅