氮化鎵 (GaN) 是一種 III-V 族寬帶隙半導(dǎo)體，由于在用作橫向高電子遷移率晶體管 (HEMT) 時(shí)具有卓越的材料和器件性能，因此在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中得到越來越多的采用。

HEMT 中產(chǎn)生的高擊穿電場(chǎng) (3.3 MV/cm) 和高二維電子氣 (2DEG) 載流子遷移率 (2,000 cm 2 / Vs) 可實(shí)現(xiàn)低比導(dǎo)通電阻 (R DS(on) )。這反過來又使得更小的器件具有更低的電容，從而降低損耗和/或更高的開關(guān)頻率，這可以帶來系統(tǒng)成本、尺寸和效率優(yōu)勢(shì)。在本文中，我們將討論常見的 GaN HEMT 器件使用選項(xiàng)，并重點(diǎn)介紹在高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用耗盡型（d 型）HEMT 的一些優(yōu)勢(shì)。

GaN HEMT 類型

如圖 1 所示，GaN HEMT 由放置在 GaN 溝道層上方的氮化鋁鎵 (AlGaN) 異質(zhì)結(jié)形成。異質(zhì)結(jié)中的極化效應(yīng)自然會(huì)誘導(dǎo)通道中二維電子氣的形成。該器件本質(zhì)上是在柵極上施加零電壓的情況下開啟的，因此稱為“耗盡模式”。在電力電子器件中，為了安全性和更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開關(guān)器件優(yōu)選為常斷增強(qiáng)模式（e-mode）器件。

 

圖 1：p-GaN 柵極 e 模式和 d 模式 GaN HEMT 器件的簡(jiǎn)化橫截面圖（Transphorm）人們嘗試了不同的方法，通過對(duì)柵極內(nèi)部或周圍進(jìn)行修改，將 d 模式器件轉(zhuǎn)換為 e 模式。許多公司采用的方法是在柵極金屬和 AlGaN 層之間添加 p-GaN 層（如圖 2 所示）。這會(huì)將導(dǎo)帶提升到費(fèi)米能級(jí)之上，并使器件進(jìn)入 e 模式，閾值電壓 (V t ) 通常在 1.4 至 1.7 V 范圍內(nèi)。這里，可以根據(jù)柵極金屬接觸的類型進(jìn)行細(xì)分，如圖2所示。肖特基接觸可以降低柵極導(dǎo)通時(shí)的柵極電流（I gs ）并提高柵極電壓（V gs）操作范圍稍小，但在可靠性方面存在潛在缺點(diǎn)，這一點(diǎn)將在稍后討論。

 

 

圖 2：使用 p-GaN e 模式 GaN HEMT 形成柵極金屬的選項(xiàng)（Borghese 等人，2021 1）d 模式器件可以與低壓硅 (LV Si) MOSFET 器件級(jí)聯(lián)，如圖 3 所示。這允許更高的有效 V t (>2.5 V) 開啟，從而允許使用柵極傳統(tǒng)硅電力電子設(shè)備中的驅(qū)動(dòng)器。

與 d 模式 GaN HEMT 一起使用的共源共柵配置。

 

圖 3：與 d 模式 GaN HEMT 一起使用的共源共柵配置（Roccaforte 等人，2019 2）關(guān)于 HEMT 驅(qū)動(dòng)機(jī)制的上述類別中存在多個(gè)子變體，并在表 1 中突出顯示。

GaN HEMT 基于其技術(shù)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的變化的一些示例。

 

表 1：基于技術(shù)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的 GaN HEMT 變化的一些示例現(xiàn)在，我們將重點(diǎn)關(guān)注功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中共源共柵 d 模式方法與 e 模式方法相比的一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。其中一些在GaN 共源共柵器件制造商Transphorm 發(fā)布的白皮書中進(jìn)行了總結(jié)。

共源共柵 D 模式 GaN HEMT 優(yōu)勢(shì)

降低 R DS(on)。多種因素可能導(dǎo)致 e 模式器件的品質(zhì)因數(shù)比共源共柵器件差：

e-mode 器件中的 2DEG 電荷密度通常需要降低才能達(dá)到一定的 V t。如圖 4 所示，這會(huì)導(dǎo)致更高的 2DEG 方塊電阻。

e-mode 器件的柵極電壓范圍 (V gs-max ) 較低，可能導(dǎo)致溝道無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全反轉(zhuǎn)。共源共柵架構(gòu)控制 LV Si MOSFET 的開啟，該 MOSFET 通?？沈?qū)動(dòng)至高 (20V) V gs ， d 模式 GaN 上的V gs接近 0V，從而保持器件完全開啟。

e 模式器件中R DS(on)的溫度系數(shù)較高。造成這種情況的一個(gè)重要因素是 p-GaN e 模式器件的跨導(dǎo)隨溫度的變化而大幅降低，如圖 5 所示。在共源共柵結(jié)構(gòu)中，LV Si CMOS 器件對(duì)器件跨導(dǎo)特性有更好的控制，并且沒有表現(xiàn)出相同水平的溫度依賴性。在與 e-mode 器件的正面比較中，共源共柵結(jié)構(gòu)的外殼溫度降低了 50%，功率轉(zhuǎn)換效率提高了。

 

 

圖 4： d 模式和 e 模式 GaN HEMT 器件中AV t與通道 2DEG 薄層電阻的關(guān)系（Transphorm）p-GaN 柵極 e 模式和共源共柵 d 模式 GaN HEMT 器件之間的跨導(dǎo)溫度響應(yīng)比較。

 

圖 5：p-GaN 柵極 e 模式和共源共柵 d 模式 GaN HEMT 器件之間的跨導(dǎo)溫度響應(yīng)比較（Transphorm）動(dòng)態(tài) R DS(on)。p-GaN 柵極器件的肖特基勢(shì)壘變體可能會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)閾值問題，因?yàn)樗鼤?huì)在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間阻礙柵漏電容 (C gd ) 的放電。3這進(jìn)而可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài) R DS(on)問題。在漏極電壓為 480 V 時(shí)，p-GaN 肖特基柵極增強(qiáng)型 GaN HEMT 的動(dòng)態(tài) R DS(on)增加了 27%，而共源共柵器件的動(dòng)態(tài) R DS(on) 增加了 5%。這會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)模式器件中產(chǎn)生更大的傳導(dǎo)損耗，如圖 6 所示。C gd放電困難導(dǎo)致的V t不穩(wěn)定也會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)模式器件中更大的開關(guān)損耗。

p-GaN 柵極 e 模式和共源共柵 d 模式 GaN HEMT 器件的動(dòng)態(tài) RDS(on) 性能和傳導(dǎo)損耗比較。

圖 6： p-GaN 柵極 e 模式和共源共柵 d 模式 GaN HEMT 器件之間的動(dòng)態(tài) R DS(on)性能和傳導(dǎo)損耗比較（Transphorm）負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)要求。e 模式器件的低 Vt可能需要在關(guān)斷時(shí)使用負(fù)Vgs 。這會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性并增加死區(qū)時(shí)間損失。在反向源漏導(dǎo)通模式下，電流必須克服負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致?lián)p耗增加。

可靠性。肖特基二極管p-GaN 柵極增強(qiáng)模式器件充當(dāng)背靠背二極管（見圖 2）。實(shí)際上，這可能會(huì)在柵極過壓條件下產(chǎn)生可靠性問題。在強(qiáng)正 V gs下，肖特基二極管反向偏置，導(dǎo)致V gs > V t落在金屬界面附近的 p-GaN 耗盡層上。高電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生滲透路徑和泄漏。器件的與時(shí)間相關(guān)的故障也可能是由于電子從溝道注入 p-GaN 導(dǎo)致雪崩，或者是由于 p-GaN/AlGaN 界面中的陷阱產(chǎn)生。p-GaN 側(cè)壁的粗糙度也會(huì)增加泄漏。在高 V gs下從金屬注入 p-GaN 層的空穴會(huì)在 p-GaN/AlGaN 界面處積聚并導(dǎo)致器件 V t降低。4 V ds限制：增強(qiáng)型器件的 Si 襯底必須連接到源極端子，以減輕由源極注入電子引起的緩沖層充電。這會(huì)將器件的漏源電壓額定值限制為約 650 V，因?yàn)殡妷狠^高時(shí)需要更厚的緩沖器。共源共柵器件已在更高的額定電壓和雙向開關(guān)中得到驗(yàn)證。5隨著增強(qiáng)型模式器件與安全和感測(cè)電路的進(jìn)一步集成，柵極驅(qū)動(dòng)器本身可能使增強(qiáng)型模式器件的應(yīng)用更加穩(wěn)健。然而，固有的 d 型 GaN HEMT 優(yōu)勢(shì)使其能夠與目前由碳化硅技術(shù)更容易主導(dǎo)的更高功率電壓領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。Transphorm在其 d 模式 GaN 共源共柵技術(shù)上展示了高性能和強(qiáng)大的功率轉(zhuǎn)換，該技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)封裝，可以用標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。