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近年來，電力電子行業(yè)對氮化鎵（GaN）晶體管的興趣大幅增長。

在電力電子應用中，電能需要從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式——例如，交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)（反之亦然），或者直流電從低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓（反之亦然）。氮化鎵 (GaN) 具備所有必要的特性，能夠在寬廣的輸出功率范圍和/或高頻條件下高效轉(zhuǎn)換電能。

首先，GaN是一種寬帶隙材料（3.2 eV），具有較高的擊穿臨界電場。其次，GaN/AlGaN材料體系是GaN晶體管結構的核心，具有高電子遷移率。這是由于在GaN/AlGaN界面處形成了二維電子氣，從而形成低電阻導電溝道。

這些材料特性的結合使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關，同時降低器件寄生參數(shù)和開關過程中的能量損耗。這轉(zhuǎn)化為高功率轉(zhuǎn)換效率，即輸出功率與輸入功率之比。在這一指標上，GaN基器件優(yōu)于傳統(tǒng)的Si基功率晶體管（包括成熟的Si MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)），尤其是在需要寬范圍輸出功率和/或高開關頻率時。

高開關速度還帶來一項額外好處：變壓器、電感器和電容器等無源元件（電源傳輸和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的關鍵元件）可以做得更小更輕。這有利于降低（環(huán)境）足跡、成本和提高 整個電力電子系統(tǒng)的可靠性。

基于氮化鎵的晶體管：優(yōu)異的功率轉(zhuǎn)換效率、高開關速度、緊湊的電路設計

近年來，電力電子行業(yè)對氮化鎵（GaN）晶體管的興趣大幅增長。

在電力電子應用中，電能需要從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式——例如，交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)（反之亦然），或者直流電從低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓（反之亦然）。氮化鎵 (GaN) 具備所有必要的特性，能夠在寬廣的輸出功率范圍和/或高頻條件下高效轉(zhuǎn)換電能。

首先，GaN是一種寬帶隙材料（3.2 eV），具有較高的擊穿臨界電場。其次，GaN/AlGaN材料體系是GaN晶體管結構的核心，具有高電子遷移率。這是由于在GaN/AlGaN界面處形成了二維電子氣，從而形成低電阻導電溝道。

這些材料特性的結合使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關，同時降低器件寄生參數(shù)和開關過程中的能量損耗。這轉(zhuǎn)化為高功率轉(zhuǎn)換效率，即輸出功率與輸入功率之比。在這一指標上，GaN基器件優(yōu)于傳統(tǒng)的Si基功率晶體管（包括成熟的Si MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)），尤其是在需要寬范圍輸出功率和/或高開關頻率時。

高開關速度還帶來一項額外好處：變壓器、電感器和電容器等無源元件（電源傳輸和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的關鍵元件）可以做得更小更輕。這有利于降低（環(huán)境）足跡、成本和提高 整個電力電子系統(tǒng)的可靠性。

基于氮化鎵的快速充電器進入量產(chǎn)階段

氮化鎵（GaN）大規(guī)模量產(chǎn)的突破出現(xiàn)在2023年左右，當時基于氮化鎵的快速電池充電器被推向市場?！安捎玫壖夹g”也因此成為這些應用領域的品牌。

氮化鎵在這些應用領域的市場普及被認為是進一步拓展市場的墊腳石。與硅基系統(tǒng)相比，該技術有望催生新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品尺寸更小、重量更輕、能效更高。

例如，車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等汽車應用就采用了氮化鎵晶體管。氮化鎵晶體管在儲能系統(tǒng)和家用太陽能逆變器中也發(fā)揮著重要作用，在持續(xù)增長的光伏市場中占據(jù)了一席之地。它們還有望用于電信和數(shù)據(jù)服務器的電源，以及人工智能數(shù)據(jù)中心。

氮化鎵技術或許還能進軍機器人市場，用于制造高頻率的緊湊型電機驅(qū)動器。再比如冰箱和洗衣機等家用電器，能效標簽往往是消費者做出購買決定的關鍵因素。

氮化鎵是高功率應用的首選材料，因為其晶體管擊穿臨界電壓比硅高約10倍。此外，對于低功率應用（20V至100V），氮化鎵也優(yōu)于硅，因為它具有更高的開關速度和更緊湊的尺寸，這有利于多種應用。

它為小型高效的48V DC/DC 轉(zhuǎn)換器和12V 負載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器鋪平了道路，這些轉(zhuǎn)換器廣泛應用于許多電子系統(tǒng)中。例如，智能手機、平板電腦或筆記本電腦都包含多個工作電壓不同的設備。移動系統(tǒng)不僅需要 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來為電池充電并將 12V 電壓分配到整個 PCB 板上，還需要 PoL 轉(zhuǎn)換器，將電壓進一步降壓至 1V 以下，并將其單獨輸送到每個靠近負載的設備。

氮化鎵（GaN）技術發(fā)展的主要驅(qū)動力之一是各行業(yè)對脫碳和提高能源效率的需求。目前，氮化鎵技術正在加速量產(chǎn)，多家半導體公司已取得突破性進展。

但成功也取決于能否建立一個強大的生態(tài)系統(tǒng)，并共同推動從氮化鎵生長到封裝解決方案的創(chuàng)新。正如CMOS一樣，開發(fā)氮化鎵功率電子器件需要設計、外延、工藝集成和應用之間的緊密結合。

橫向HEMT器件、雙向開關、垂直GaN FET等等：種類繁多的GaN基器件

目前，GaN 研發(fā)工作主要集中在三種類型的器件上：橫向高電子遷移率晶體管 (HEMT)、雙向開關和垂直 GaN 場效應晶體管 (FET)。

一、橫向HEMT：電力轉(zhuǎn)換器行業(yè)的主力軍

目前市面上幾乎所有GaN功率晶體管都采用橫向AlGaN/GaN基HEMT結構。在這種橫向結構中，晶體管的三個引腳（源極、柵極和漏極）位于同一平面表面。得益于自然界的巧妙設計，AlGaN/GaN界面處的二維電子溝道無需外部柵極偏置即可自發(fā)形成。

這意味著該器件通常處于導通狀態(tài)，需要施加負柵極偏置才能耗盡溝道并使其關斷：它是一種耗盡型或D型器件。D型器件是高功率和高電壓應用的首選。例如，車載充電器，其導通溝道的低導通電阻是一項關鍵指標。

然而，大多數(shù)嵌入式電力電子系統(tǒng)為了確保故障安全運行，需要常關型（增強模式或e模式）器件。因此，必須對HEMT器件架構進行修改以支持e模式運行。最常用的方法是在柵電極下方添加一層p型摻雜的GaN層。

E 型功率器件也可以采用所謂的級聯(lián) D 型 HEMT 配置，其中 D 型 HEMT 與基于硅的低壓功率器件組合在一起。HEMT 能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓運行，而基于硅的功率器件則確保故障安全運行。

橫向 p-GaN HEMT 的巨大潛力激勵著研究人員進一步提升其性能和功能。

二、雙向開關：可用于電池保護和交流/交流轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)上，橫向p型GaN HEMT用于AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過改進其器件結構，可以實現(xiàn)雙向開關，從而在兩種極性下都能導通電流并阻斷電壓。例如，在電池保護電路和矩陣轉(zhuǎn)換器（無需直流鏈路的高效AC/AC轉(zhuǎn)換器）中，就需要這種開關。

在傳統(tǒng)的硅器件實現(xiàn)中，雙向開關是通過將兩個分立的單向MOSFET或IGBT以反并聯(lián)或反串聯(lián)的方式連接而成的。GaN HEMT技術通過在傳統(tǒng)HEMT結構中添加第二個柵極，提供了一種更為簡單的設計方法。

三、垂直氮化鎵器件：適用于650V以上電壓的替代方案

將 650V p-GaN HEMT 的電壓提升至 650V 以上會帶來雙重功耗增加：為了提高擊穿電壓和增強器件的穩(wěn)定性，柵極到漏極的距離需要增加，但這反過來又會增加導通電阻。因此，在相同的導通電阻下，HEMT 的功耗會隨著電壓的升高呈二次方增長。

垂直GaN基MOSFET器件正被探索作為一種適用于650V以上工作電壓的替代器件架構。在垂直GaN器件中，源極和柵極位于器件表面，而漏極則位于外延堆疊層的底部。因此，電場可以垂直分布在整個材料堆疊層中。

近年來，多通道氮化鎵（GaN）器件取得了顯著進展，其優(yōu)勢與傳統(tǒng)CMOS邏輯應用中的環(huán)柵器件類似：在更小的尺寸下實現(xiàn)更高的電流密度，同時保持較低的關斷電流和串聯(lián)電阻。氮化鎵 是一項相對年輕的技術，器件開發(fā)仍有很大的空間。

未來幾年，我們期待許多創(chuàng)新技術能夠服務于下一代電力電子設備。其中，p溝道GaN HEMT的短缺成為了業(yè)界的變通方案

長期以來，GaN 研究人員一直關注一個主要問題：目前還沒有性能達到可接受水平的p 溝道 GaN器件。

CMOS 設計采用 n 溝道和 p 溝道器件的組合，以確保邏輯運算的最佳性能。但在 GaN 中，空穴的遷移率比電子低約 60 倍。這意味著以空穴為主要載流子的p 溝道器件的尺寸將是n 溝道器件的60 倍。

這種n溝道和p溝道器件的“非對稱”配置效率極低。業(yè)界通過多種方式來解決這個問題。在電阻-晶體管邏輯電路中，p溝道器件被電阻器所取代。雖然這需要在開關時間和功耗之間做出權衡，但對于許多電力電子電路來說，這種方法已經(jīng)足夠有效。

另一種方案是直接耦合FET邏輯，它是d模和e模HEMT共集成的結果。

用于氮化鎵外延生長的襯底：擴展至 200 毫米和 300 毫米晶圓尺寸

氮化鎵器件的性能不僅取決于材料堆疊結構和器件架構，還與生長氮化鎵材料堆疊結構的襯底密切相關。此外，襯底的選擇對于決定氮化鎵技術的經(jīng)濟可行性至關重要。

從技術角度來看，原生GaN襯底具有最佳的材料質(zhì)量。但它們價格昂貴，而且目前僅適用于小直徑晶圓（最大150毫米（6英寸））。因此，它們很難跟上當今電力電子行業(yè)的趨勢：200毫米（8英寸）襯底已成為行業(yè)標準，并且在條件允許的情況下，會考慮將其尺寸擴大到300毫米（12英寸）。

更大的晶圓直徑可以降低器件制造成本，使其成為對成本敏感的市場（如快速充電器、工業(yè)和消費電源系統(tǒng)以及移動設備、GPU 和 CPU 的電源輸送系統(tǒng)）的首選。

硅是能夠?qū)崿F(xiàn)更大晶圓尺寸擴展的襯底之一，同時也能支持采用CMOS兼容的制造方法來制造GaN-on-Si器件。近年來，業(yè)界在克服AlGaN/GaN異質(zhì)結構在硅襯底上外延生長所面臨的挑戰(zhàn)方面取得了顯著進展。通過設計AlGaN/GaN和硅之間的緩沖層，并優(yōu)化外延生長條件，可以解決材料熱膨脹系數(shù)和晶體結構不匹配的問題。

如今，GaN-on-Si技術正迎來一個新時代：從200mm硅晶圓過渡到300mm硅晶圓。過渡到300mm硅晶圓的優(yōu)勢遠不止降低制造成本。CMOS兼容的GaN-on-Si技術將能夠使用300mm的先進設備，其能力遠超200mm設備。通過擴展加工工具和計量設備的功能，將能夠開發(fā)出更先進的GaN基功率器件。

對于更高電壓的應用，業(yè)界正在探索其他替代方案，目前也正在研究其他襯底用于特定的電力電子應用，但目前它們主要處于研究階段：氧化鎵（Ga2O3 ）和SiC-on-Si。

電路和系統(tǒng)發(fā)展趨勢：單片集成和混合集成程度各異；系統(tǒng)級優(yōu)化程度不斷提高

最初，大多數(shù)基于氮化鎵（GaN）的功率系統(tǒng)都是由多個芯片組成的。GaN開關作為分立元件組裝，并通過印刷電路板（PCB）與其他非GaN元件連接。這種方法的缺點是存在寄生電感，會影響器件的性能。以柵極驅(qū)動器為例，該元件為GaN晶體管的柵極提供電流，從而控制晶體管的導通和關斷。如果將分立的GaN晶體管和驅(qū)動器集成在單獨的芯片上，驅(qū)動器的輸出級和晶體管的輸入級之間就會存在寄生電感。降低寄生電感并充分利用GaN優(yōu)異開關速度的最佳方法是采用GaN技術制造驅(qū)動器和高電子遷移率晶體管（HEMT），并將它們集成在同一芯片上。然而，這種單片集成長期以來一直難以實現(xiàn)，主要原因是缺乏互補的GaN器件，以及難以在單個芯片上獲得用于隔離不同元件的功率域。

但近年來，GaN功率開關與其他構建模塊的單片集成取得了巨大進展。目前，研發(fā)團隊正在探索不同的研發(fā)方向。一方面，一些功能模塊被單片集成，以提高GaN功率器件的智能性和魯棒性。例如，通過將電流傳感器、溫度傳感器、柵極驅(qū)動器的輸出級以及過壓保護電路等集成到GaN功率器件中，便可得到這種“智能分立元件”。另一方面，我們也看到一些功率電子系統(tǒng)實現(xiàn)了最大程度的單片集成，包括半橋、全柵極驅(qū)動器、浮動電源電壓、隔離式電平轉(zhuǎn)換器、死區(qū)時間控制以及保護電路等。

除了單片集成度的提高，我們也看到一些混合集成方案涌現(xiàn)，以實現(xiàn)定制化的性能。例如，一種800V逆變器由基于GaN的650V雙向開關和基于SiC的1200V開關組合而成。又如，基于Si的BCD芯片（結合了Si基雙極型、CMOS和DMOS技術的芯片）上疊加GaN器件，并采用芯片到晶圓或芯片到芯片的3D集成技術進行集成。

電力電子行業(yè)并非“贏家通吃”的市場。我們將看到各種組合并存，在功率轉(zhuǎn)換效率、設計簡易性、速度、魯棒性、尺寸和成本之間進行權衡，以最終滿足應用需求?；诖?，人們越來越關注系統(tǒng)級優(yōu)化，而非組件級優(yōu)化。

可靠性、穩(wěn)健性和封裝：技術采用的關鍵因素

可靠性、穩(wěn)健性和封裝也是氮化鎵器件成功應用于各種應用的關鍵因素。

在器件層面，可靠性受到場板設計對峰值電場的控制、靠近與 AlGaN 極化層界面處的介電層中的電荷俘獲以及外延層的質(zhì)量和缺陷的影響。

金屬有機化學氣相沉積 ( MOCVD ) 生長技術和工藝控制的進步在緩解這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了關鍵作用。

p-GaN HEMT的一個特性是，在正向柵極電壓偏置下工作時，其在較低溫度（例如 -25°C）下的壽命較短。這可以用失效機制的負激活能來解釋。這對于某些應用和工作條件（例如，在北方國家部署 GaN 基器件）可能非常重要，因此需要在低溫范圍內(nèi)擴展（柵極）可靠性測試。

然而，GaN的可靠性不應僅從器件層面考慮。通過添加有助于控制GaN晶體管柵極并抑制瞬態(tài)（即開關操作期間發(fā)生的電壓或電流的瞬態(tài)變化）的組件和電路， 可以在系統(tǒng)層面提高可靠性和魯棒性。

欠壓鎖定、過流保護以及將數(shù)據(jù)反饋給柵極驅(qū)動器的溫度傳感器，對于充分發(fā)揮 GaN 開關器件的性能和可靠性都至關重要。

最后，基于氮化鎵的器件和系統(tǒng)的高電壓和高功率能力，需要有效的封裝解決方案來應對高電壓和高溫，而不會引起電氣擊穿。

結論

基于氮化鎵的電力電子系統(tǒng)在各個行業(yè)都具有巨大的潛力，它們可以支持整體脫碳，并為社會日益增長的電氣化和數(shù)字化做出貢獻。

氮化鎵（GaN）晶圓技術、器件架構、可靠性和穩(wěn)定性方面的進步 ，系統(tǒng)級應用經(jīng)驗的積累，以及業(yè)界對該技術的巨額投資，共同促成了GaN技術的市場突破。目前，基于GaN的快速充電器已實現(xiàn)商業(yè)化，但預計這項技術將憑借新一代緊湊型、節(jié)能型產(chǎn)品開拓新的市場。

氮化鎵（GaN）是一項相對年輕的技術，具有很大的創(chuàng)新和優(yōu)化空間。但它的成功也取決于整個生態(tài)系統(tǒng)在各個層面的密切合作能力——從氮化鎵集成電路設計、氮化鎵外延生長到最終應用。

https://www.imec-int.com/en/articles/unlocking-full-potential-gan-technology-next-gen-power-electronics

（來源：編譯自imec）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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