使用GaN設計高功率器件

從 70 年代下半葉開始，電源管理應用的主導技術是基于 MOSFET(金屬氧化物硅場效應晶體管)器件，在效率和成本降低方面不斷取得進步和改進。然而，隨著第三個千年的到來，新解決方案和對現(xiàn)有技術的改進逐漸放緩，這主要是由于硅基技術接近其理論極限。MOSFET 最初是作為雙極晶體管的替代品推出的，由于其高開關速度、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。在它們的主要應用中，我們可以提到 AC-DC 開關電源、電機驅動電路、熒光燈電路、DC-DC 轉換器等。

HEMT 晶體管使用的結構的特點是電子的高遷移率，這首先通過使用由 GaN 和 AlGaN 組成的異質結結構來證明。通過將相同的現(xiàn)象應用于由沉積在碳化硅 (SiC) 上的氮化鎵組成的結構，可以獲得用于射頻應用的晶體管，其工作頻率為幾千兆赫。在接下來的幾年里，隨著第一個 eGaN(增強型硅上氮化鎵)FET 晶體管的推出，該技術得到了進一步完善，該晶體管專門設計為成為 MOSFET 功率晶體管的具有成本效益和高效的替代品。氮化鎵技術的時代由此開始，設備能夠使用現(xiàn)有的生產(chǎn)設施以低成本和大批量生產(chǎn)。

氮化鎵技術概述

五十多年來，硅一直是電子工業(yè)中的主要半導體類型，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)的物理特性進行了比較。

圖 1：Si、GaN 和 SiC 材料的主要特性比較

對于電源應用中使用的器件，在評估材料時要考慮的主要特性如下：傳導效率、擊穿電壓、開關效率、尺寸和成本。使用圖 1中所示的參數(shù)值，可以推導出作為特定材料擊穿電壓函數(shù)的導通電阻(也稱為 RDSON，電導率的倒數(shù))的理論值：所得結果圖表如圖2所示。

圖 2：Si、SiC e GaN 的理論導通電阻 (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 如何在導通電阻和擊穿電壓之間呈現(xiàn)更好的關系，這是由更高的臨界電場強度值決定的。使用這兩種材料的主要優(yōu)勢包括更緊湊的封裝尺寸。此外，由于電子的高遷移率，GaN 允許構建具有最小傳導損耗的功率器件。

GaN 和 eGaN 結構

使用 GaN 技術制造的晶體管的基本結構如圖 3上半部分所示，其中源極、柵極和漏極三個端子(每個 FET 晶體管的典型特征)清晰可見。源漏電極穿過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。

圖 3：使用 GaN 技術制造的晶體管的基本結構

為了使這種機制發(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。通過向該電極施加負電壓，肖特基勢壘變?yōu)榉聪蚱?，有利于下層中的電子運動。因此，要使器件進入關斷狀態(tài)，必須對漏電極和源電極施加負電壓。剛剛描述的基本結構也稱為 d 模式(耗盡模式)，并提供良好的性能以及相對簡單的制造工藝。

耗盡型器件的典型示例是 HFET(異質結構場效應晶體管)。它的主要缺點是它通常處于導通狀態(tài)，在上電階段給設計人員帶來了潛在的問題。然而，d 模式結構提供了與傳統(tǒng)低壓硅 MOSFET 具有相同柵極特性的重要優(yōu)勢，允許使用市場上已有的 MOSFET 柵極驅動器。在高功率應用中，使用增強型(e 模式)結構，主要是因為它不受前述限制的影響。如果沒有柵極電壓施加到具有 e 模式結構的 GaN MOSFET，晶體管將保持在關斷狀態(tài)并且沒有電流傳導。

增強型結構，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。該器件從硅晶片開始制造，在該硅晶片上沉積氮化鎵異質結，當沒有電壓施加到柵極時，該器件通常處于關斷狀態(tài)。導電通道是通過在高電阻 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)生應變壓電效應，形成高度移動的二維電子氣 (2DEG)。器件的上層由電介質和金屬布線保護組成。如此獲得的結構允許通過在柵極上施加正電壓使 FET 進入導通狀態(tài)，這與使用溝道 n 硅技術實現(xiàn)的 FET 功率晶體管中發(fā)生的情況類似。

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，可實現(xiàn)更高的工作頻率和軟開關電路;

EOSS：存儲在COSS 中的能量針對硅基晶體管進行了改進，在高開關頻率下實現(xiàn)了更好的效率;

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

Qg：柵極電荷影響開關頻率，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。沒有這些基本特征，采用新技術設計的功率器件就沒有成功的機會和經(jīng)濟可行性。五十多年來，硅基晶體管一直是主要的電源解決方案。在被認為是硅的繼承者的幾種新結構和材料中，氮化鎵技術與硅相比具有多項優(yōu)勢，使其成為實現(xiàn)高效功率器件的理想選擇。增強型晶體管與功率 MOSFET 非常相似，但具有改進的高速開關、更低的導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。