使用GaN設(shè)計(jì)高功率器件

從 70 年代下半葉開(kāi)始，電源管理應(yīng)用的主導(dǎo)技術(shù)是基于 MOSFET(金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件，在效率和成本降低方面不斷取得進(jìn)步和改進(jìn)。然而，隨著第三個(gè)千年的到來(lái)，新解決方案和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)逐漸放緩，這主要是由于硅基技術(shù)接近其理論極限。MOSFET 最初是作為雙極晶體管的替代品推出的，由于其高開(kāi)關(guān)速度、穩(wěn)健性和更高的增益電流，已迅速在電源解決方案中占據(jù)一席之地。在它們的主要應(yīng)用中，我們可以提到 AC-DC 開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、熒光燈電路、DC-DC 轉(zhuǎn)換器等。

HEMT 晶體管使用的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是電子的高遷移率，這首先通過(guò)使用由 GaN 和 AlGaN 組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)證明。通過(guò)將相同的現(xiàn)象應(yīng)用于由沉積在碳化硅 (SiC) 上的氮化鎵組成的結(jié)構(gòu)，可以獲得用于射頻應(yīng)用的晶體管，其工作頻率為幾千兆赫。在接下來(lái)的幾年里，隨著第一個(gè) eGaN(增強(qiáng)型硅上氮化鎵)FET 晶體管的推出，該技術(shù)得到了進(jìn)一步完善，該晶體管專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為成為 MOSFET 功率晶體管的具有成本效益和高效的替代品。氮化鎵技術(shù)的時(shí)代由此開(kāi)始，設(shè)備能夠使用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施以低成本和大批量生產(chǎn)。

氮化鎵技術(shù)概述

五十多年來(lái)，硅一直是電子工業(yè)中的主要半導(dǎo)體類(lèi)型，由于一些突出的特性，它能夠在其他材料(如鍺或硒)上建立自己的地位，例如：

可靠性;

易于使用和處理;

低成本。

硅的物理特性可以總結(jié)在圖1的表格中，其中與后續(xù)一代材料(氮化鎵和碳化硅)的物理特性進(jìn)行了比較。

圖 1：Si、GaN 和 SiC 材料的主要特性比較

對(duì)于電源應(yīng)用中使用的器件，在評(píng)估材料時(shí)要考慮的主要特性如下：傳導(dǎo)效率、擊穿電壓、開(kāi)關(guān)效率、尺寸和成本。使用圖 1中所示的參數(shù)值，可以推導(dǎo)出作為特定材料擊穿電壓函數(shù)的導(dǎo)通電阻(也稱(chēng)為 RDSON，電導(dǎo)率的倒數(shù))的理論值：所得結(jié)果圖表如圖2所示。

圖 2：Si、SiC e GaN 的理論導(dǎo)通電阻 (RDSON) 與擊穿電壓

從圖 2的檢查中，我們可以立即觀察到 SiC 和 GaN 如何在導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間呈現(xiàn)更好的關(guān)系，這是由更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度值決定的。使用這兩種材料的主要優(yōu)勢(shì)包括更緊湊的封裝尺寸。此外，由于電子的高遷移率，GaN 允許構(gòu)建具有最小傳導(dǎo)損耗的功率器件。

GaN 和 eGaN 結(jié)構(gòu)

使用 GaN 技術(shù)制造的晶體管的基本結(jié)構(gòu)如圖 3上半部分所示，其中源極、柵極和漏極三個(gè)端子(每個(gè) FET 晶體管的典型特征)清晰可見(jiàn)。源漏電極穿過(guò)AlGaN上層，與二維電子氣(2DEG)形成的底層形成歐姆型接觸。因此在源極和漏極之間產(chǎn)生的短路保持活躍，直到 2DEG 層釋放的電子耗盡，然后 GaN 半絕緣層介入，阻止電流流動(dòng)。

圖 3：使用 GaN 技術(shù)制造的晶體管的基本結(jié)構(gòu)

為了使這種機(jī)制發(fā)生，柵電極必須放置在 AlGaN 層上方。在大多數(shù) GaN 晶體管中，柵電極由直接放置在層表面上的肖特基接觸制成。通過(guò)向該電極施加負(fù)電壓，肖特基勢(shì)壘變?yōu)榉聪蚱?，有利于下層中的電子運(yùn)動(dòng)。因此，要使器件進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，必須對(duì)漏電極和源電極施加負(fù)電壓。剛剛描述的基本結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為 d 模式(耗盡模式)，并提供良好的性能以及相對(duì)簡(jiǎn)單的制造工藝。

耗盡型器件的典型示例是 HFET(異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。它的主要缺點(diǎn)是它通常處于導(dǎo)通狀態(tài)，在上電階段給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了潛在的問(wèn)題。然而，d 模式結(jié)構(gòu)提供了與傳統(tǒng)低壓硅 MOSFET 具有相同柵極特性的重要優(yōu)勢(shì)，允許使用市場(chǎng)上已有的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。在高功率應(yīng)用中，使用增強(qiáng)型(e 模式)結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)樗皇芮笆鱿拗频挠绊憽Ｈ绻麤](méi)有柵極電壓施加到具有 e 模式結(jié)構(gòu)的 GaN MOSFET，晶體管將保持在關(guān)斷狀態(tài)并且沒(méi)有電流傳導(dǎo)。

增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，如圖3下半部分, 也是 FET 晶體管的典型特征，其中突出顯示了漏極、源極和柵極端子。該器件從硅晶片開(kāi)始制造，在該硅晶片上沉積氮化鎵異質(zhì)結(jié)，當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極時(shí)，該器件通常處于關(guān)斷狀態(tài)。導(dǎo)電通道是通過(guò)在高電阻 GaN 層頂部沉積一層薄薄的 AlGaN 制成的。AlGaN 和 GaN 之間的界面產(chǎn)生應(yīng)變壓電效應(yīng)，形成高度移動(dòng)的二維電子氣 (2DEG)。器件的上層由電介質(zhì)和金屬布線保護(hù)組成。如此獲得的結(jié)構(gòu)允許通過(guò)在柵極上施加正電壓使 FET 進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這與使用溝道 n 硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 FET 功率晶體管中發(fā)生的情況類(lèi)似。

由于以下特性，Gan HEMT 晶體管的性能優(yōu)于硅基晶體管：

QOSS: 傳統(tǒng)的硅功率晶體管具有陡峭的非線性輸出電荷特性。GaN晶體管具有線性充電特性，可實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和軟開(kāi)關(guān)電路;

EOSS：存儲(chǔ)在COSS 中的能量針對(duì)硅基晶體管進(jìn)行了改進(jìn)，在高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)了更好的效率;

Qrr: 由于溝道中沒(méi)有少數(shù)載流子需要恢復(fù)，所以GaN晶體管中的反向恢復(fù)電荷為零;

Qg：柵極電荷影響開(kāi)關(guān)頻率，GaN 的 Qg比硅晶體管低約七倍;

功率損耗：GaN 晶體管的傳導(dǎo)損耗低于等效的硅基晶體管，從而提高了效率和功率密度。

結(jié)論

任何功率器件的不可或缺的要求是效率、可靠性、可控性和成本效益。沒(méi)有這些基本特征，采用新技術(shù)設(shè)計(jì)的功率器件就沒(méi)有成功的機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)可行性。五十多年來(lái)，硅基晶體管一直是主要的電源解決方案。在被認(rèn)為是硅的繼承者的幾種新結(jié)構(gòu)和材料中，氮化鎵技術(shù)與硅相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，使其成為實(shí)現(xiàn)高效功率器件的理想選擇。增強(qiáng)型晶體管與功率 MOSFET 非常相似，但具有改進(jìn)的高速開(kāi)關(guān)、更低的導(dǎo)通電阻和更小的尺寸。如果我們將高密度封裝添加到這些新功能中，我們將獲得能夠降低功率損耗、系統(tǒng)尺寸、成本。