從原理到實(shí)例：GaN為何值得期待？

時(shí)間：2021/12/24    點(diǎn)擊量：140

“什么是第三代半導(dǎo)體GaN呢?它是由氮和鎵組成的一種半導(dǎo)體材料，由于其禁帶寬度大于2.2eV, 因此又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料?！?/p>

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要指能夠耐受高電壓或承受大電流的半導(dǎo)體分立器件，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。在功率半導(dǎo)體的發(fā)展路徑中，功率半導(dǎo)體從結(jié)構(gòu)、制程、技術(shù)、工藝、集成化、材料等各方面進(jìn)行了全面提升，其演進(jìn)的主要方向?yàn)楦叩墓β拭芏?，更小的體積，更低的成本及損耗。特別是材料迭代方面，從硅Si材料逐漸向氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料升級(jí)，使得功率器件體積和性能均有顯著提升。

那么什么是第三代半導(dǎo)體GaN呢?它是由氮和鎵組成的一種半導(dǎo)體材料，由于其禁帶寬度大于2.2eV, 因此又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。

表一  GaN與Si的關(guān)鍵特性對(duì)比

表一對(duì)比了GaN和Si的幾種物理參數(shù)，不可否認(rèn)，GaN展現(xiàn)出了更好的性能優(yōu)勢(shì)，主要分為以下四點(diǎn)：

1、禁帶寬度大：寬禁帶使材料能夠承受更高溫度和更大的電場(chǎng)強(qiáng)度。器件在工作溫度上升時(shí)， 本征激發(fā)的載流子濃度也不會(huì)很高， 因此能夠應(yīng)用到更高溫度的特殊環(huán)境下。

2、高擊穿電場(chǎng)：GaN本身的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.3E+06,約是Si的11倍，同樣耐壓條件下，GaN耗盡區(qū)展寬長(zhǎng)度可以縮減至Si的0.1倍，大大降低了漂移區(qū)電阻率，以獲得更低的Ron和更高的功率性能。

3、高電子飽和漂移速率：在半導(dǎo)體器件工作過程中，多數(shù)是利用電子作為載流子實(shí)現(xiàn)電流的傳輸。高電子飽和漂移速率可以保證半導(dǎo)體器件工作在高電場(chǎng)材料仍然能保持高的遷移率，進(jìn)而有大的電流密度，這是器件獲得大的功率輸出密度的關(guān)鍵所在。這也是GaN材料最明顯優(yōu)勢(shì)所在。

可以看到，表格中GaN的電子遷移率并不高，為什么稱之為高電子遷移率晶體管呢?原因在于GaN&AlGaN因?yàn)椴牧咸匦栽诮缑娓袘?yīng)形成的二維電子氣(2DEG), 2DEG在2-4nm薄薄的一層中存在且被約束在很小的范圍，這種限域性使得電子遷移率增加到1500~2000cm2/(V·s)目前技術(shù)已經(jīng)使電子遷移率達(dá)到2200 cm2/(V·s)。

4、良好的耐溫特性：可以看到，GaN和Si的熱導(dǎo)率基本差異不大，但是GaN可以比Si能擁有更高的結(jié)溫。因此，同時(shí)良好的熱導(dǎo)率加上更高的熱耐受力共同提升了器件的使用壽命和可靠性。

GaN器件優(yōu)越的性能也其器件結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)系。目前，產(chǎn)業(yè)化的GaN器件在走的兩種路線是P-GaN方式的增強(qiáng)型器件和共源共柵兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)市場(chǎng)上聲音不同，大家仁者見仁。

圖1 主流GaN的兩種結(jié)構(gòu)

 由于GaN器件對(duì)寄生參數(shù)極其敏感，因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)電路，GaN的驅(qū)動(dòng)要求更為嚴(yán)苛，因此對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的研究很有意義。在實(shí)際的高壓功率GaN器件應(yīng)用過程中，我們用GaN器件和當(dāng)前主流的SJ MOSFET在開關(guān)特性和動(dòng)態(tài)特性上做了一個(gè)對(duì)比，更詳細(xì)的了解其差異所在。

表二  GaN 器件DC參數(shù)

從上圖GaN晶體管的DC參數(shù)可以看到，其在直流參數(shù)上，沒有反向二極管(0 Reverse Recovery)，主要原因在于GaN晶體管沒有SJ MOSFET的寄生PN結(jié)。此外，兩者在直流參數(shù)以及Vth等也有著不小的區(qū)別，同規(guī)格情況下，GaN晶體管比SJ MOS有著更小的飽和電流以及更高的BV值，這也是受限于其芯片面積和無雪崩能力的特殊特性;同時(shí)更低的驅(qū)動(dòng)電壓和柵極電荷Qg，造就了其高頻低損的優(yōu)良開關(guān)特性。

圖2  GaN&Si電容特性對(duì)比

從器件的電容上看到， SJ MOSFET的電容在50V內(nèi)非線性特征明顯，同時(shí)整體的電容值要比GaN器件大很多(結(jié)電容是GaN的3倍)。這是因?yàn)椋S電耦合型的SJ器件雖然比平面MOS擁有著更小的器件面積，但由于其依靠靠PN結(jié)的橫向耗盡來實(shí)現(xiàn)抗耐壓，因此PN結(jié)的接觸面積要大很多，在器件D-S間電壓較低時(shí)，PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成的接觸面造成了其初始Coss&Crss等參數(shù)要比D-S高電壓狀態(tài)大幾個(gè)量級(jí);同時(shí)器件從不完全耗盡到全耗盡狀態(tài)，器件空間電荷區(qū)展寬，導(dǎo)致了CGD和CDS在電容曲線上出現(xiàn)突變點(diǎn)。這種電場(chǎng)在很窄電壓范圍的突變，也恰恰影響著工程師們關(guān)注的EMI問題，如何去優(yōu)化使其曲線變緩成為多家設(shè)計(jì)公司的特色工藝。

圖3   硅器件Cgd突變

然而GaN的出現(xiàn)，卻輕松的解決了該問題，GaN的電容曲線變化相對(duì)在一個(gè)較小的范圍，且不存在突變，因此在電源應(yīng)用的EMI調(diào)試過程，效果優(yōu)于SJ MOSFET。接近線性的Coss,使得應(yīng)用開關(guān)過程dv/dt的波形更接近一個(gè)沒有弧度的斜線讓其變得優(yōu)雅。

圖4  GaN反激Vds開關(guān)上升沿

較低的結(jié)電容也使得器件的能量等效電容(Coer)和Eoss遠(yuǎn)小于同規(guī)格SJ MOS器件，使得電源在硬開關(guān)過程中的容性損耗大大減小，能夠顯著減少器件發(fā)熱;與此同時(shí)，在電源軟開關(guān)過程中達(dá)到ZVS所抽取的結(jié)電容電荷更少，使得系統(tǒng)擁有更高的開關(guān)頻率和更小的死區(qū)時(shí)間，進(jìn)一步的減小系統(tǒng)體積。

圖五  GaN&Si器件Eoss和Coer差異

隨著GaN的高效率得到實(shí)際驗(yàn)證，市場(chǎng)對(duì)于GaN的信心逐漸增強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)日益顯著以及用量不斷增長(zhǎng)，未來功率GaN技術(shù)將成為高效率功率轉(zhuǎn)換的新標(biāo)準(zhǔn)。以下是維安新推出的E-Mode GaN器件，歡迎大家前來索樣并與維安的專家討論其特性。

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