氮化镓器件技术的最新进展

leafcho 2019-04-20

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本文回顾氮化镓（GaN）器件在高频和电源领域的几种新技术；最新开发的氮化镓（GaN）器件与传统的硅基器件相比具有优异的性能：能够帮助降低能量损耗和减小系统尺寸。

基于氮化镓（GaN）的器件优异的块电压和更高的电流特性，因此是对传统的硅基器件的可行替代；节能减排的发展趋势导致业界希望采用基于GaN的器件来设计新的有效的功率电子系统；而GaN-HFETs（GaN hetero-junction field effect transistors）具有较低的导通电阻和优异的开关能力因此受到了业界的重视。高效率电源转换器系统将是GaN FETs的一个极具前途的应用。

氮化镓（GaN）-FETs的特性

（1）硅基氮化镓（GaN）（GaN-on-Si）的外延生长技术

从成本的角度将在硅衬底上进行氮化镓（GaN）外延生长是一种可行的变通技术；硅衬底的优点是其可以实现直径为8英寸的大尺寸晶圆，同时可以使用硅芯片工厂已经支付了成本的生产设施。

硅基氮化镓（GaN）（GaN-on-Si）的外延结构如下图中的图1（a）所示：这个结构中我们可以看到了AlGaN/AlN初始层和GaN/AlN超晶（super-lattice）结构，而图1（b）展示的是一个8英寸的硅基氮化镓（GaN）（GaN-on-Si）衬底，该衬底没有裂纹，实现了镜面；同时实现了具有较好一致性的高迁移率特性。

氮化镓器件技术的最新进展

图1、(a)MOCVD外延结构；(8)8英寸硅基GaN衬底

（2）GaN HFETs的常关（Normally-off operation）工作模式

p-AlGaN/AlGaN/GaN HFETs被命名为栅极注入三极管（Gate injection transistor(GIT)）,这种技术可以实现硅基氮化镓（GaN）（GaN-on-Si）HFETs的常关操作；如下图2（a）所示，p型 AlGaN栅极用来替代传统的肖特基（Shottky）。自然形成的2维电子气（two-dimensional electron gas (2DEG)）是由i-AlGaN和i-GaN界面处材料的极化所生成的，并且会由于p型栅极势垒的电位漂移而耗尽。如图2（b）所示，GaN GIT的电流Ids和电压Vds的特性和增强模式的FETs相同。

氮化镓器件技术的最新进展

图2.（a）GaN GIT的示意性横截面，（b）GaN GIT的Ids-Vds特性。

GaN GIT最有前途的应用领域是电机驱动装置；在基于GaN GIT转换器中可以实现低损耗操作。如图3所示当前的GaN GIT转换器系统可以实现1500W，99.3%的电源转换效率。

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Figure 3. Power conversion efficiency in GaN GIT i

图3. GaN GIT逆变器系统和IGBT逆变器系统中的功率转换效率。

GaN器件技术的最新进步

（a）3X3矩阵转换器的双向GaN GIT

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图4.单片双向GaN GIT的示意横截面。

如图4所示，通过提供在源和漏区域之间的双栅极，图2（a）所示的GaN GIT结构可以非常容易地转换为转变为单片双向GaN GIT；双向GaN GIT可以以较小的串联电阻来直接开关AC电源；双向GaN GIT扩展了电源电子的应用，如没有靠惯性滑行的二极管的转换器，DC/DC转换器，单片AC-AC矩阵转换器；如图5所示采用双向GaN GIT可以实现低导通电阻，以及高击穿电压特性。这样如图5（a）所示可以除去导通状态下的电压偏移（offsets）；在最大电流为100A时导通电阻为42mOhm。

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