GaN HEMT概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

GaN HEMT基本概述

氮化鎵高電子遷移率晶體管GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)作為寬禁帶(WBG)功率半導(dǎo)體器件的代表，器件在高頻功率應(yīng)用方面有巨大的潛力。GaN材料相比于 Si 和SiC 具有更高的電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場，如圖1所示。

由于材料上的優(yōu)勢，GaN功率器件可以實現(xiàn)更小的導(dǎo)通電阻和柵極電荷(意味著更優(yōu)秀的傳導(dǎo)和開關(guān)性能)。因此GaN功率器件更適合于高頻應(yīng)用場合，對提升變換器的效率和功率密度非常有利。目前GaN功率器件主要應(yīng)用于電源適配器、車載充電、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，也逐漸成為5G基站電源的最佳解決方案。

GaN HEMT的分類

按照器件結(jié)構(gòu)類型：可分為橫向和縱向兩種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。橫向GaN功率器件適用于高頻和中功率應(yīng)用，而垂直GaN功率器件可用于高功率模塊。垂直GaN 功率器件尚未在市場上出售，目前處于大量研究以使器件商業(yè)化的階段。

按照器件工作模式：可分為常開(耗盡型)和常關(guān)(增強型)兩種方式，如圖3所示。在橫向結(jié)構(gòu)中由AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)組成的GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)包括一層高遷移率電子：二維電子氣(2DEG)，2DEG在功率器件漏極和源極之間形成通道。常開(耗盡型)：當(dāng)柵源電壓為零時，漏源極之間已存在2DEG通道，器件導(dǎo)通。當(dāng)柵源電壓小于零時，漏源極2DEG通道斷開，器件截止。常關(guān)(增強型):當(dāng)柵源電壓大于零時，漏源極之間2DEG通道形成，器件導(dǎo)通。

常開(耗盡型)器件在啟動過程中可能會出現(xiàn)過沖或失去功率控制，因此不適用于電源變換器等應(yīng)用中。常關(guān)(增強型)器件通過簡單的柵極驅(qū)動控制，在電力電子廣泛應(yīng)用。

兩種常見的常關(guān)型GaN HEMT

(共源共柵型和單體增強型)

單體增強型P-GaN功率器件單體增強型器件在AlGaN勢壘頂部生長了一層帶正電(P型)的GaN層。P-GaN層中的正電荷具有內(nèi)置電壓，該電壓大于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓，因此它會耗盡2DEG中的電子，形成增強型結(jié)構(gòu)。單體增強型器件優(yōu)點：內(nèi)部寄生參數(shù)較小，開關(guān)性能會更加優(yōu)異。

共源共柵型GaN功率器件通過低壓增強型Si MOSFET和耗盡型GaN HFET串聯(lián)封裝形成常關(guān)器件。Si MOSFET的輸出電壓決定了HFET的輸入電壓，在導(dǎo)通模式下共享相同的溝道電流。共源共柵型GaN功率器件的缺點：兩個器件的串聯(lián)連接增加封裝的復(fù)雜性，將在高頻工作環(huán)境中引入寄生電感，可能影響器件的開關(guān)性能。

GaN HEMT結(jié)構(gòu)原理圖解

(常開型GaN HEMT為例)

典型AlGaN/GaNHEMT器件的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。器件最底層是襯底層(一般為SiC或Si材料)，然后外延生長N型GaN緩沖層，外延生長的P型AlGaN勢壘層，形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。最后在AlGaN層上淀積形成肖特基接觸的柵極(G)，源極(S)和漏極(D)進(jìn)行高濃度摻雜并與溝道中的二維電子氣相連形成歐姆接觸。

GaN HEMT工作原理詳解

AlGaN/GaNHEMT為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件，通過在GaN層上氣相淀積或分子束外延生長AlGaN層，形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。GaN半導(dǎo)體材料中主要存在纖鋅礦與閃鋅礦結(jié)構(gòu)兩種非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)。

在這兩種結(jié)構(gòu)中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)具有更低的對稱性，當(dāng)無外加應(yīng)力條件時，GaN晶體內(nèi)的正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，在沿極軸的方向上產(chǎn)生極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為GaN的自發(fā)極化效應(yīng)。在外加應(yīng)力下，由于晶體受到應(yīng)力產(chǎn)生晶格形變，使得內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生分離，在晶體內(nèi)部形成電場，導(dǎo)致晶體表面感應(yīng)出極化電荷，發(fā)生壓電效應(yīng)。由于壓電極化和自發(fā)極化電場方向相同，在電場作用下使得異質(zhì)結(jié)界面交界處感應(yīng)出極化電荷。

由于AlGaN材料具有比GaN材料更寬的帶隙，在到達(dá)平衡時，異質(zhì)結(jié)界面交界處能帶發(fā)生彎曲，造成導(dǎo)帶和價帶的不連續(xù)，在異質(zhì)結(jié)界面形成一個三角形的勢阱。從圖6中可以看到，在GaN一側(cè)，導(dǎo)帶底EC已經(jīng)低于費米能級EF，所以會有大量的電子積聚在三角形勢阱中。同時寬帶隙AlGaN一側(cè)的高勢壘，使得電子很難逾越至勢阱外，電子被限制橫向運動于界面的薄層中，這個薄層被稱之為二維電子氣(2DEG)。

AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。漏源電壓VDS使得溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向電場，在橫向電場作用下，二維電子氣沿異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行輸運形成漏極輸出電流IDS。柵極與AlGaN勢壘層進(jìn)行肖特基接觸，通過柵極電壓VGS的大小控制AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中勢阱的深度，改變溝道中二維電子氣面密度的大小，從而控制溝道內(nèi)的漏極輸出電流。

審核編輯：湯梓紅