在過(guò)去幾年中，SiC MOSFET 在高壓 (>600V) 和大功率應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。熱導(dǎo)率、高臨界場(chǎng)、大大提高的開(kāi)關(guān)效率以及在其表面形成二氧化硅的能力等優(yōu)勢(shì)使其能夠在關(guān)鍵工藝、設(shè)計(jì)和可靠性方面得到改進(jìn)，從而使其能夠在一些高增長(zhǎng)應(yīng)用中大規(guī)模使用，例如在用于車載充電器、牽引逆變器和直流到直流轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、電機(jī)控制、運(yùn)輸系統(tǒng)和電網(wǎng)的電動(dòng)汽車。

早在 1990 年代，關(guān)于 GaN 的大多數(shù)研究都集中在藍(lán)色和最終白色 LED 和激光器的制造上。約 3.4 eV 的直接帶隙，通過(guò)金屬有機(jī) CVD (MOCVD) 產(chǎn)生的異質(zhì)結(jié)層形成具有 Al、In、P 和量子限制的四元層的能力為此奠定了基礎(chǔ)。然后利用這項(xiàng)工作來(lái)利用高電子遷移率晶體管 (HEMT) 中實(shí)現(xiàn)的高電子遷移率和飽和速度來(lái)制造遠(yuǎn)優(yōu)于其硅對(duì)應(yīng)物的射頻器件。正是在 RF MMIC 領(lǐng)域，GaN PoweHEMT 工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)得到了顯著改進(jìn)，如今，它們構(gòu)成了一些重要的通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)設(shè)備的主干，其中一些設(shè)備的額定頻率超過(guò)或等于 RF X - 頻帶頻譜（8.5 至 11 GHz）。

這些射頻設(shè)備的電壓范圍通常在 <200V 范圍內(nèi)。橫向 HEMT 器件相對(duì)于垂直 V-DMOS 具有天然的缺點(diǎn)，通常用于SiC MOSFET 以創(chuàng)建 HV 器件（代表性器件橫截面見(jiàn)圖 1 (a) 和 1(b)）。柵極和漏極之間的橫向漂移區(qū)中的高表面電場(chǎng)通常會(huì)限制高電壓限制，并且在塑造/降低電場(chǎng)的場(chǎng)板技術(shù)方面的一些進(jìn)步將允許提高該額定值。

圖 1 (a) GaN Power HEMT 器件結(jié)構(gòu)和圖 1 (b) SiC VDMOS 器件結(jié)構(gòu)

表 1 列出了 SiC 和 GaN 的一些關(guān)鍵材料特性。

表 1：SiC MOSFET 和 GaN Power HEMT 的一些關(guān)鍵材料特性。BFOM 是 Baliga 品質(zhì)因數(shù)

應(yīng)該注意的是，盡管文獻(xiàn)中引用的體 SiC 遷移率要高得多（~ 700 到 1000 cm2/Vs），但在 MOSFET 中獲得的遷移率要低得多，盡管這是由于 SiC/SiO2 處的陷阱位點(diǎn)界面。在形成器件傳導(dǎo)通道的 AlGaN/GaN 界面處形成的二維電子氣 (2-DEG) 上觀察并報(bào)告了 GaN Power HEMT 列出的遷移率。

從最初對(duì)射頻器件的關(guān)注開(kāi)始，在 GaN 晶體管方面取得了巨大進(jìn)展，以提供 HV 功率 FET 范圍內(nèi)的器件。Transphorm、ST Microelectronics、GaN Systems、Cambridge、Innoscience、GaN Power International 和 Texas Instruments 等多家公司提供額定電壓為 650V 或更高的器件。從電壓的角度來(lái)看，這達(dá)到了一些 EV 應(yīng)用的最佳位置，例如 2 級(jí)車載充電器 (OBC) 和其他長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為屬于 SiC 領(lǐng)域的應(yīng)用。GaN 提供更低的終端電容和更高的遷移率，允許器件縮放和更快、更高效的開(kāi)關(guān)。沒(méi)有 pn 結(jié)也不會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的反向恢復(fù)損失。傳熱和封裝成為關(guān)鍵限制，現(xiàn)在很多研究都集中在改善這一點(diǎn)。

下面的圖 2 和圖 3 說(shuō)明了 GaN 在這些應(yīng)用中的擴(kuò)展空間。

圖 2：GaN 在 SiC 功率 FET 領(lǐng)域的成長(zhǎng)空間

圖 3：GaN Power HEMT 的電壓與頻率空間使用情況

GaN 的生長(zhǎng)通常在 SiC 或 Si 襯底上進(jìn)行。緩沖層有助于緩解晶格失配造成的壓力。RF GaN 制造商通常選擇 GaN on SiC 方法，以利用 SiC 對(duì)高功率密度放大器的卓越熱能力。功率 FET 行業(yè)選擇了 GaN on Si 方法。硅襯底提供了一種更便宜的方法，也為 200 毫米晶圓制造提供了一條更簡(jiǎn)單的途徑。Innoscience 在中國(guó)的 8 英寸 GaN on Si Fabs 已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

GaN Power HEMT 器件自然是耗盡模式器件（或 d 模式：常開(kāi)，需要負(fù) Vgs 才能關(guān)閉）。對(duì)于大多數(shù)功率 FET 應(yīng)用，增強(qiáng)模式（或 e 模式：常關(guān)，0V 應(yīng)關(guān)閉器件）行為是必不可少的。為此，使用了兩種不同的方法。一方面，可以使用 p 型 GaN 或 AlGaN 柵極來(lái)修改勢(shì)壘高度，在該層下方創(chuàng)建一個(gè)耗盡區(qū)，從而創(chuàng)建一個(gè)常關(guān)器件。這種方法受到許多人的青睞，用于生產(chǎn) e-mode HEMT 器件。另一種方法是將 LV Si-MOSFET 與 GaN 器件串聯(lián)，如圖 4 所示。

兩種方法之間存在權(quán)衡。雖然單 e-mode 器件使用更簡(jiǎn)單，并聯(lián)器件的復(fù)雜性更低，并提供出色的電容和反向恢復(fù)特性，但問(wèn)題是由于 p-AlxGayN 的特性，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于 1.5V 的閾值電壓層。這使門容易受到開(kāi)關(guān)噪聲和雜散器件行為的影響。

圖 4：級(jí)聯(lián)排列的 GaN d 模式 HEMT

使用共源共柵方案獲得了更加穩(wěn)健的柵極，Vt 處于有利的≥ 2.5V 范圍內(nèi)。較高的柵極裕度可以實(shí)現(xiàn)更直接的柵極驅(qū)動(dòng)器。

為了比較設(shè)備行為以及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，下面的表 2 中給出了參數(shù)分析。在此分析中，選擇了四個(gè)器件，兩個(gè) SiC MOSFET 和兩個(gè) GaN Power HEMT。所有四個(gè)都具有大約 650V 的最大 Vds 工作電壓和大約 20 mOhms 的 25C Rdson 額定值。兩個(gè) GaN 器件標(biāo)記為 G1 和 G2，而 SiC 器件標(biāo)記為 S1 和 S2。此外，器件 S2 和 G2 使用相同的封裝，因此在這種情況下可以忽略封裝引起的某些 AC 特性的差異。

表 2：2 個(gè) SiC 器件 S1、S2 與 2 個(gè) GaN 功率 HEMT 器件 G1、G2 的參數(shù)比較

關(guān)注的參數(shù)以黃色突出顯示，有利的參數(shù)以綠色突出顯示。顯而易見(jiàn)的是，具有單一 e 模式器件的 G1 提供了 GaN 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，即沒(méi)有反向恢復(fù)電荷 Qrr。然而，高得多的 I gss柵極泄漏也突出了較差的柵極裕度。另一方面，G2 具有良好的柵極裕度，與 SiC 非常相似，但 Qrr 相應(yīng)增加。

通常，較低的柵極電荷 Qg 在兩種 GaN 功率 HEMT 中都突出顯示。這可以顯著改進(jìn)硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

表 2 中突出顯示的 GaN 的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是 Rdson 的溫度系數(shù)較差，在 150C 時(shí) ≥ 25oC Rdson 的兩倍。也有人認(rèn)為，如果目標(biāo)是滿足某個(gè) 150oC 的 Rdson，則 GaN 器件實(shí)際上必須在 25oC 時(shí)有多余的裕量，并相應(yīng)增加芯片尺寸和柵極/輸出電容。Rdson 的增加使得更并行的設(shè)備方法更加關(guān)鍵。由于寄生元件種類繁多，特別是在級(jí)聯(lián)排列中，并聯(lián) GaN 器件可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。具有自適應(yīng)控制的集成柵極驅(qū)動(dòng)器可能是一種可能的解決方案。

審核編輯 黃昊宇