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AlGaN / GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）是开关功率晶体管的有希望的候选者，因为它们具有高的断态击穿强度以及导通状态下的优异沟道导电性。这些特征是GaN的特殊物理特性与其异质结构材料AlGaN的组合。表1.1比较了GaN与其他竞争器件系列（如Si和SiC）的一些物理特性。最重要的特征之一是材料的击穿强度。与Si相比，这种参数GaN比Si高10倍。这意味着与Si器件相比，对于给定的器件尺寸，可以将10倍的电压施加到GaN器件上。如果器件接通，则剩余的导通状态电阻Ron定义了这种情况下的器件损耗。由于具体的导通电阻Ron与维持给定击穿电压所需的器件漂移区的长度成比例，因此更紧凑的GaN器件具有尽可能低的导通电阻，具有Si器件。此外，由于GaN / AlGaN HEMT的电子传输特性，与具有相同额定电压的Si功率器件相比，特定的导通电阻几乎低两个数量级。因此，GaN器件同时实现高击穿电压和高电流水平，并具有小的半导体区域。这另外转化为高功率水平下的高开关频率。根据现有技术，GaN功率器件的静态导通电阻优于硅功率电子器件，并且接近碳化硅（SiC）器件的性能。过去已经定义了几个描述这些依赖关系的品质因数。它们可用于以更加定量的方式比较不同的器件系列。例如，器件的电阻损耗由所谓的Baliga品质因数（BFM），Baliga高频品质因数（BHFFM）的开关损耗和微波性能反映出来。约翰逊的品质因数（JFM）。在表1.1中，这些品质因数已经标准化为Si性能并且显示用于比较。可以看出，GaN器件容易胜过现有的Si和SiC器件。 表1.1 表1.1、GaN外延层以及针对Si和4H-SiC的块状Ga晶体的物理参数的比较 用于功率电子应用的任何半导体器件的特定导通电阻是关键性能参数之一。理想的电源开关器件应具有高击穿电压以应对关断状态，而其导通状态电阻应尽可能小。该请求转化为图1.1中描述的权衡情况。高击穿器件需要扩展的漂移区域，例如，栅极和漏极之间的距离需要足够大。这意味着随着击穿电压的增加，器件中会添加越来越多的电阻元件，从而增加导通电阻。显然，这些器件技术是有利的，允许在相应的低漂移区扩展处实现高阻断电压。如图1.1所示，每个器件系列的最佳导通电阻遵循特定的理论线，该理论线是针对单极器件计算的。实际上，由于功率开关器件在导通状态下的线性（迁移率控制）区域中工作，导通状态电阻随击穿电压实际上以二次相关性增加。因此，GaN器件在理论上具有优于Si器件的优势至少三个数量级。它们甚至优于SiC器件。图1.1中显示的数据代表Ron的静态值。在1.3节中显示，在动态切换期间，该值可能会增加。 图1.1 图1.1不同器件系列的特定导通电阻Ron×A与击穿电压的比较。 直线表示单极器件的Ron×A的理论值。 由于横向场效应晶体管中的沟道和接触电阻以及垂直SiC器件中的漂移区，沟道和接触表示限制。 （来自Kaminski，N。和O. Hilt，Kaminski, N., and O. Hilt, “GaN device physics for electrical engineers,” ECPE GaN and SiC User Forum, Proceedings, Birmingham, United Kingdom, 2011。） 在GaN HEMT中，对于给定的漏极电流具有相对小的总栅极宽度的横向器件设计与低面积特定的导通状态电阻相结合导致非常低的器件电容和特别低的栅极电荷Qg。乘积Qg×Ron（开关效率的品质因数）至少比Si基器件小10倍。 GaN器件的较低开关损耗允许在系统级上具有更高的开关频率。随着开关频率的增加，可以减小诸如电感器和电容器的无源元件的尺寸。这意味着可以显著减少这种系统的体积和重量，这反过来又为系统应用开辟了新的可能性。 表1.2 表1.2、适用于GaN功率电子器件的衬底的比较 与Si和SiC器件相比，大多数用于功率电子器件的GaN器件都是在Si和SiC等异质衬底上实现的。其根本原因在于难以制造更大直径的独立式GaN衬底。因此，历史上，GaN器件的开发始于异质衬底，其晶格常数非常接近块状GaN的晶格常数，例如SiC。表1.2给出了适用于GaN功率电子器件的GaN外延生长的不同衬底类型的比较。虽然SiC衬底上的GaN通常对于高功率器件是有利的，因为SiC具有高导热性，但是由于晶圆直径达到200mm或更大，因此Si衬底上的生长对于功率应用更有前途。相对较低的价格水平。显然，就材料质量而言，GaN衬底上的外延生长将是最佳选择。与异质衬底上的外延GaN层相比，具有低位错密度（~104 / cm2）的独立式GaN衬底甚至显示出更好的导热性（2.3对1.3W / K·cm，如表1.1所示）。然而，仍然无法获得超过100毫米的晶圆直径增加的技术，这是一项正在进行的研究。预计独立式GaN衬底对真正的垂直GaN器件非常有吸引力。对于微波应用，半绝缘SiC（si-SiC）衬底上的生长已成熟为标准;在较小的程度上，Si器件上的GaN也是可行的。 si-SiC是优选的，因为它具有固有良好的电隔离特性，从而提供低信号损失并且由于其高导热性。此外，在Si-SiC晶圆上生长的功率器件非常有吸引力，因为与Si相比，它们受益于SiC的优异散热性能。然而，si-SiC晶片的价格水平如此之高，以至于除了非常特殊的应用之外，预计未来将在Si衬底上实现GaN功率器件的批量生产。 |
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