垂直GaN 器件：電力電子的下一個層次

NexGen Power Systems Inc. 正在使用GaN 襯底上的同質(zhì)外延 GaN 制造垂直功率器件（垂直氮化鎵或垂直 GaN）。垂直 GaN 器件能夠以更高的頻率進行開關(guān)并在更高的電壓下工作，這將催生新一代更高效的功率器件。

“垂直 GaN 器件比硅小 90%；NexGen Power Systems 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Dinesh Ramanathan 表示，電容與器件的面積直接相關(guān)?！霸O(shè)備越小，電容越低。電容越低，開關(guān)頻率越高。在大多數(shù)典型應(yīng)用（尤其是電源）中，垂直 GaN 的開關(guān)損耗比 Si ［硅］ MOSFET 低 67%?！?/p>

GaN是一種寬帶隙材料，與硅相比，它允許器件在更高的溫度下工作并承受更高的電壓。此外，GaN 較高的介電擊穿率允許制造更薄的器件，因此可以制造更低電阻的器件。較低的特性 R DS（on）導(dǎo)致具有較低電容的較小器件。

在低缺陷密度塊體 GaN 襯底上生長低缺陷密度外延層的優(yōu)勢在于，與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，它導(dǎo)致垂直功率器件在電壓和熱應(yīng)力下具有更高的可靠性。

垂直 GaN 能夠在高擊穿電壓下工作（圖 1），這使垂直 GaN 能夠為要求最苛刻的應(yīng)用供電，例如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電動汽車、太陽能逆變器、電機和高速列車的電源。

圖 1：與 Si 和 SiC 相比的 GaN 材料特性（圖片：NextGen Power Systems）

傳統(tǒng)功率器件和橫向 GaN-on-Si

功率電子器件使用固態(tài)器件來處理或轉(zhuǎn)換電能。電源轉(zhuǎn)換器或適配器無處不在，有各種形狀和尺寸可供選擇。大多數(shù)稱為開關(guān)模式電源 （SMPS） 的轉(zhuǎn)換器使用電容器、電感器、變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)將功率從具有給定電壓和電流的輸入傳輸?shù)讲煌妷?電流配置的輸出（圖 2）。

圖 2：開關(guān)模式電源的框圖（圖片：NextGen Power Systems）

電容器、電感器和變壓器是無源且物理上較大的組件。為了減小 SMPS 的尺寸，它們必須在高頻下工作。為了在高頻下工作，他們需要更好的半導(dǎo)體開關(guān)，它可以克服現(xiàn)有硅基開關(guān)的限制，通常最高可達幾百千赫茲。

在過去的三十年里，MOSFET 和 IGBT 等硅器件一直主導(dǎo)著功率器件市場。最近，硅 MOSFET 只看到了性能提升?！肮枰呀?jīng)達到了極限；基于硅功率器件的材料特性，您現(xiàn)在無法從根本上獲得任何收益，”Dinesh Ramanathan 說。

碳化硅 （SiC） 是硅的另一種替代品，但 GaN 通常具有更具吸引力的基本材料特性。

當前的 GaN 器件是在混合襯底上制造的：硅或碳化硅上的 GaN 薄層，形成 GaN-on-Si 或 GaN-on-SiC 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 結(jié)構(gòu)（圖 3）。

圖 3：GaN-on-Si HEMT 結(jié)構(gòu)的代表性示意圖（圖片：NexGen Power Systems）

橫向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件將材料與不匹配的熱膨脹系數(shù) （CTE） 結(jié)合在一起，這會損害可靠性和性能。此外，在典型的 GaN HEMT 器件中，通道非?？拷砻妫ù蠹s幾百納米），這會產(chǎn)生鈍化和冷卻問題。在橫向 GaN-on-Si 器件中，漏源分離決定了器件的擊穿電壓。較大的漏源分離會增加溝道電阻并限制電流容量。為了彌補這一點并提高載流能力，該器件必須做得更寬。更高的電壓和更高的電流要求的組合導(dǎo)致設(shè)備具有大面積，因此具有更高的電容。因此，

雪崩擊穿是 Si 和 SiC 器件在短期過壓條件下保護自身的關(guān)鍵特性。橫向 GaN-on-Si HEMT 中沒有 pn 結(jié)可防止這些器件發(fā)生雪崩擊穿。此外，由于靠近器件表面的電流傳導(dǎo)的敏感性，GaN-on-Si HEMT 難以從頂部冷卻。將 Si 襯底與 GaN 層隔開的緩沖層限制了底部冷卻的效率。這意味著，通常必須創(chuàng)建定制封裝來冷卻 GaN-on-Si HEMT，從而進一步增加其成本。

垂直 GaN 功率器件

GaN 和 Si 或 SiC 之間的晶格失配會降低 GaN 的電性能并影響可靠性，當 GaN 器件在 GaN 襯底上生長時，晶格和 CTE 當然是完美匹配的——它是同一種材料。 因此，可以在塊狀 GaN 襯底上外延生長非常厚的 GaN 層，從而制造出非常高電壓的器件。

垂直 GaN 技術(shù)釋放了 GaN 卓越材料特性的全部潛力，因為它基于在 GaN 襯底上同質(zhì)外延生長的 GaN（圖 4）。此外，垂直 GaN 器件使用所有三個空間維度：通過增加漂移層的厚度來提高擊穿電壓和通過增加器件面積來降低 R DS（on） / 電流能力，從而有效地創(chuàng)建將擊穿電壓和電流能力解耦的 3D 器件。 R DS（on） ）。

“交流系統(tǒng)需要具有顯著降低諧波失真的高性能功率因數(shù)校正電路，”Ramanathan 說。“垂直 GaN 的高開關(guān)頻率支持新的控制算法，并以更小的實現(xiàn)和更高的效率提供所有這些?！?/p>

圖 4：垂直 GaN 與 GaN-on-Si 器件結(jié)構(gòu)（圖片：NextGen Power Systems）

圖 5顯示了增強型垂直 GaN 結(jié)場效應(yīng)晶體管 （eJFET） 和 GaN-on-Si HEMT 的示意圖。NexGen Power Systems 表示，它能夠展示 》40 μm 的漂移厚度，生產(chǎn)擊穿電壓 》4，000 V 的二極管和電阻率為 2.8 mΩ/cm 2的晶體管。對于相同的電流能力，垂直 GaN 器件尺寸大約比 650-V GaN-on-Si HEMT 小 6 倍，但提供更大的 1，200 V 擊穿電壓。垂直 GaN eJFET 具有雪崩能力，可在以下情況下保護器件超過規(guī)定的擊穿電壓。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 的示意圖。虛線白線表示電子傳導(dǎo)路徑。（圖片：下一代電力系統(tǒng)）

垂直 GaN 器件用于通過漂移層傳導(dǎo)電流，該漂移層位于晶體管主體內(nèi)部。因此，不存在由表面界面雜質(zhì)捕獲的電荷產(chǎn)生的動態(tài) R DS （on） 變化的機制。柵源二極管的耗盡區(qū)延伸到溝道中，控制了漏極和源極之間的電流流動。在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化的柵源二極管發(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加柵源電壓和溝道打開并導(dǎo)通。

由于輸出電容小，應(yīng)用中的開關(guān)損耗非常小。與橫向 GaN 器件相比，熱量通過均質(zhì)材料（無需額外層）從器件的頂部和底部 直接傳遞到封裝引線框架（圖 6 ）。

“這種器件的優(yōu)勢在于它只有由 GaN 制成的 pn 結(jié)，”Ramanathan 說?！拔覀儧]有二維電子氣和復(fù)雜的材料層。我們有一個增強型 JFET，這是一種廣為人知的器件，由于它具有 pn 結(jié)，它會發(fā)生雪崩，因此不會發(fā)生破壞性擊穿。因為這一切都發(fā)生在設(shè)備的主體中，它可以在雪崩期間吸收相當多的能量，并且在事件發(fā)生后，設(shè)備恢復(fù)并正常運行。所以它有一個內(nèi)置的安全機制，因此，它是一個更可靠、更強大的設(shè)備?！?/p>

圖 6：同質(zhì)外延生長結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢（圖片：NextGen Power System）

Figure 7： Driving NexGen’s vertical GaN eJFETs （Image： NextGen Power System）

NexGen 的 Vertical GaN 技術(shù)結(jié)合了器件的特性，這些特性以前被認為是不兼容的，因此是不可能實現(xiàn)的。汽車、消費電子、太陽能、電機和數(shù)據(jù)中心的功率轉(zhuǎn)換是人們可以體驗這項新技術(shù)潛力的主要應(yīng)用。與其他開關(guān)器件相比，它在更高的開關(guān)頻率下提供更低的損耗和更好的雪崩魯棒性，并在成本上與硅器件有效競爭。

“從手機到筆記本電腦，電子設(shè)備變得越來越小，越來越便攜，”Ramanathan 說?！笆褂么怪?GaN，電源系統(tǒng)也可以小、輕、低成本和便攜。”

他繼續(xù)舉了一個特別引人注目的例子：“在數(shù)據(jù)中心機架中，為電源預(yù)留了一定數(shù)量的機架單元，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電——我們將該電源的尺寸減小了 50%。讓我們看看一個 30 kW 的機架——需要 11 個機架單元用于供電，31 個提供計算服務(wù)。憑借我們更高的開關(guān)頻率，我們可以將電源尺寸從 11 個減少到 5 個機架單元，這意味著我們可以騰出 6 個機架單元來添加到計算機架。六個額外的計算機架意味著計算密度增加了 20%”。

垂直 GaN 允許您解決目前只能由多種技術(shù)提供服務(wù)的全系列電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。