GaN 是一種高帶隙材料，與硅相比，它允許器件在更高的溫度下運(yùn)行并承受更高的電壓。此外，GaN 更高的介電擊穿允許構(gòu)建更薄且因此電阻更低的器件。較低的特性 R DS(on)導(dǎo)致具有較低電容的較小器件。垂直 GaN 器件能夠以更高的頻率進(jìn)行開關(guān)并在更高的電壓下運(yùn)行。

“垂直 GaN ?器件比硅小 90%。電容與器件的面積直接相關(guān)。器件越小，電容越低。電容越低，開關(guān)頻率越高。NexGen Power Systems Inc. 首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Dinesh Ramanathan 表示，在大多數(shù)典型應(yīng)用中，垂直 GaN ? 的開關(guān)損耗比 Si MOSFET 低 67%，尤其是電源。

與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，在低缺陷密度體 GaN 襯底上生長的低缺陷密度外延層允許實(shí)現(xiàn)在電壓和熱應(yīng)力下具有更高可靠性的垂直功率器件。

Vertical GaN ?能夠在高擊穿電壓下運(yùn)行（圖 1），這使 Vertical GaN? 能夠?yàn)樽羁量痰膽?yīng)用供電，如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源、電動汽車、太陽能逆變器、電機(jī)和高速列車。

圖 1：GaN 材料特性與 Si 和 SiC 的比較 [圖片：NextGen Power Systems]

傳統(tǒng)功率器件和橫向 GaN-on-Si

電力電子設(shè)備使用固態(tài)設(shè)備來處理或轉(zhuǎn)換電力。電源轉(zhuǎn)換器或適配器無處不在，并且有各種形狀和尺寸。

大多數(shù)稱為開關(guān)電源 (SMPS) 的轉(zhuǎn)換器使用電容器、電感器、變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)將功率從具有給定電壓和電流的輸入傳輸?shù)骄哂胁煌妷?電流配置的輸出（圖 2）。

圖 2：開關(guān)模式電源框圖 [圖片：NextGen Power Systems]

電容器、電感器和變壓器是無源且體積較大的組件。為了減小 SMPS 的尺寸，它們必須在高頻下運(yùn)行。為了在高頻下工作，他們需要更好的半導(dǎo)體開關(guān)，以克服現(xiàn)有硅基開關(guān)的局限性，這些開關(guān)只能在高達(dá)幾百 kHz 的頻率下工作。

在過去的三年中，MOSFET 和 IGBT 等硅器件主導(dǎo)了功率器件市場。具體來說，硅基功率 MOSFET 已經(jīng)達(dá)到了它們的技術(shù)極限，只是增加了額外的性能提升。“硅已經(jīng)達(dá)到極限。根據(jù)其材料特性，目前您無法從硅功率器件中獲得任何根本收益，”Dinesh Ramanathan 說。

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等替代材料為實(shí)現(xiàn)新一代功率器件以克服硅的局限性提供了可能性。其中，對基于 GaN 的功率器件開發(fā)的興趣特別強(qiáng)烈，因?yàn)榕c Si 和 SiC 相比，GaN 的材料特性更好。

當(dāng)前的 GaN 器件是在混合襯底上制造的：硅或碳化硅上的 GaN 薄層創(chuàng)建 GaN-on-Si 或 GaN-on-SiC HEMT（高電子遷移率晶體管）結(jié)構(gòu)（圖 3）。

圖 3：GaN-on-Si HEMT 結(jié)構(gòu)的代表性示意圖 [圖片：NexGen Power Systems]

橫向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件結(jié)合了熱膨脹系數(shù) (CTE) 不匹配的材料，導(dǎo)致可靠性和性能缺乏。此外，在典型的 GaN HEMT 器件中，通道非常靠近表面（大約幾百納米），這會產(chǎn)生鈍化和冷卻問題。在橫向 GaN-on-Si 器件中，漏源分離決定了器件的擊穿電壓。較大的漏源分離會增加溝道電阻并限制電流能力。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)并增加載流能力，必須將器件做得更寬。更高電壓和更高電流要求的組合導(dǎo)致器件具有大面積并因此具有更高的電容。因此，橫向器件僅限于大約 650 V 的擊穿電壓。

雪崩擊穿是 Si 和 SiC 器件在短期過壓條件下保護(hù)自身的關(guān)鍵特性。橫向 GaN-on-Si HEMT 中沒有 pn 結(jié)可防止這些器件發(fā)生雪崩擊穿。此外，由于靠近器件表面的電流傳導(dǎo)敏感性，GaN-on-Si HEMT 難以從頂部冷卻。將 Si 襯底與 GaN 層分開的緩沖層限制了底部冷卻的效率。這意味著通常必須創(chuàng)建定制封裝來冷卻 GaN-on-Si HEMT，從而進(jìn)一步增加其成本。

垂直 GaN 功率器件

GaN 和 Si 或 SiC 之間的晶格失配會降低 GaN 的電氣特性并影響可靠性。對于在 GaN 襯底上生長的 GaN 器件，晶格和 CTE 都完美匹配——它是相同的材料。因此，可以在塊狀 GaN 襯底上外延生長非常厚的 GaN 層，從而可以創(chuàng)建非常高壓的器件。

垂直 GaN ?技術(shù)釋放了 GaN 卓越材料特性的全部潛力，因?yàn)樗谠?GaN 襯底上同質(zhì)外延生長的 GaN（圖 4）。此外，垂直 GaN 器件使用所有三個空間維度：通過增加漂移層的厚度來獲得更高的擊穿電壓，通過增加器件面積來降低 R DS(on) / 電流能力，從而有效地創(chuàng)建了一個將擊穿電壓和電流解耦的 3-D 器件能力（R DS(on)）。

“交流系統(tǒng)需要能夠顯著降低諧波失真的高性能功率因數(shù)校正電路。垂直 GaN 的高開關(guān)頻率支持新的控制算法，并以更小的實(shí)施和更高的效率提供所有這些”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 4：垂直 GaN 與 GaN-on-Si 器件結(jié)構(gòu) [圖片：下一代電源系統(tǒng)]

圖 5 顯示了增強(qiáng)型垂直 GaN 結(jié)場效應(yīng)晶體管 (eJFET) 和 GaN-on-Si 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的示意圖。在垂直 GaN 的情況下，襯底和外延層都是具有極低缺陷密度的 GaN。NexGen Power Systems 表示，它能夠展示 >40μm 的漂移厚度，產(chǎn)生擊穿電壓 >4000V 的二極管和電阻率為 2.8mΩ.cm 2 的晶體管。對于相同的電流容量，Vertical GaN ?器件尺寸大約比 650V GaN-on-Si HEMT 小六倍，但提供更高的 1200V 擊穿電壓。垂直 GaN ? eJFET 具有雪崩能力，可在超過指定擊穿電壓時保護(hù)器件。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 示意圖。白色虛線表示電子傳導(dǎo)路徑 [圖片：下一代電力系統(tǒng)]

垂直 GaN ?器件旨在通過漂移層傳導(dǎo)電流，漂移層位于晶體管的主體內(nèi)部。因此，不存在由表面界面雜質(zhì)捕獲的電荷產(chǎn)生的動態(tài) R DS (on) 變化的機(jī)制。柵極-源極二極管的耗盡區(qū)延伸到溝道中控制著漏極和源極之間的電流。在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化的柵源二極管發(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加?xùn)旁措妷海⑹箿系来蜷_并導(dǎo)通。

由于輸出電容小，應(yīng)用中的開關(guān)損耗非常小。與橫向 GaN 器件相比，熱量最佳地通過同質(zhì)材料從器件的頂部和底部直接傳遞到封裝引線框架（圖 6），無需附加層。

“該器件的優(yōu)勢在于它只是由 GaN 制成的 pn 結(jié)。我們沒有二維電子氣和復(fù)雜的材料層。我們有一個增強(qiáng)型 JFET，它是一種廣為人知的器件，并且因?yàn)樗哂?pn 結(jié)，所以它會雪崩，因此您沒有破壞性擊穿。因?yàn)檫@一切都發(fā)生在設(shè)備的主體中，所以它可以在雪崩期間吸收相當(dāng)多的能量，并且在雪崩之后設(shè)備恢復(fù)并正常運(yùn)行。因此，它具有內(nèi)置的安全機(jī)制。因此，它是一種更可靠、更堅固的設(shè)備”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 示意圖。白色虛線表示電子傳導(dǎo)路徑 [圖片：下一代電力系統(tǒng)]

在電源電路中使用垂直 GaN

NexGen Vertical GaN? FET 是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET)，與硅邏輯器件中使用的 FinFET 相似。

柵極和源極之間的電壓差 (V GS ) 控制著漏極和源極之間的電流。當(dāng) V GS低于閾值電壓 (V t ) 時，JFET 通道關(guān)閉。當(dāng)V GS大于V t 時，溝道打開，電流可以在源極和漏極之間流動。該電流在設(shè)備的主體內(nèi)流動。電子遷移率很高，并且與 pn 結(jié)的較小電容一起，產(chǎn)生具有非常小的輸出 (C oss ) 電容的器件。這使得器件能夠在高頻下高效運(yùn)行，并支持開關(guān)頻率高于 1MHz 的應(yīng)用。

JFET 的對稱結(jié)構(gòu)允許源極和漏極交換功能，如果漏極端電壓低于源極端電壓，則溝道電流可以反向流動。這類似于 Si MOSFET 中體二極管的功能，但沒有少數(shù)載流子/反向恢復(fù)電荷去除引起的損耗和潛在的可靠性問題。

“NexGen 的垂直 GaN eJFET 可以由成熟且具有成本效益的標(biāo)準(zhǔn)低成本 Si MOSFET 驅(qū)動器（圖 7）驅(qū)動，只需對現(xiàn)有設(shè)計進(jìn)行少量修改。這有助于快速采用具有卓越性能的設(shè)備”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 7：驅(qū)動 NexGen 的垂直 GaN eJFET [圖片：下一代電源系統(tǒng)]

審核編輯：劉清