作為一種新型功率器件，GaN 器件在電源的高密小型化方面極具優(yōu)勢。

器件

01GaN器件的基本結(jié)構(gòu)是什么樣子？和傳統(tǒng)MOS器件在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別？

GaN器件是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的橫向半導(dǎo)體器件，其外延層依照耐壓等級有不同結(jié)構(gòu)設(shè)計。以650V GaN器件為例，其外延由3~5um的(Al)GaN材料組成, 從襯底向上依次為成核層、應(yīng)力釋放層、C-GaN層、UID-GaN溝道層、AlGaN勢壘層、p-GaN帽層等，高遷移率的二維電子氣（2DEG）溝道在AlGaN/GaN界面處產(chǎn)生。AlGaN勢壘層以上是介質(zhì)層以及場板。

傳統(tǒng)功率MOSFET為縱向半導(dǎo)體器件，為單一的硅材料器件，其導(dǎo)通電阻和耐壓由縱向的漂移區(qū)決定，體二極管的存在使得器件具有雪崩擊穿能力，但也引入了較大的寄生電容Coss和較大的反向恢復(fù)電荷Qrr。按照電壓等級不同，功率MOS在不同電壓等級有對應(yīng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，如SGT，Superjunction等。

02GaN器件相較于傳統(tǒng)Si MOS，有哪些器件特性上的優(yōu)勢？

由于GaN寬禁帶的材料特點(diǎn)，與Si功率器件相比，GaN高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）有更高的耐壓，更高的電子遷移率，這使得其在高功率和高頻應(yīng)用中具有更好的品質(zhì)因數(shù)和更廣闊的應(yīng)用前景。GaN器件的橫向器件結(jié)構(gòu)使其具有極低的寄生電容，并且GaN器件無體二極管反向恢復(fù)電荷（Qrr=0），非常適用于高頻小型化功率系統(tǒng)。

基于GaN器件優(yōu)異的性能，相較于傳統(tǒng)Si功率器件，GaN器件能夠提升系統(tǒng)開關(guān)頻率，在降低系統(tǒng)體積的同時提升系統(tǒng)功率密度并且降低系統(tǒng)功耗。

03GaN器件的外延一般長在什么襯底上？

外延生長根據(jù)襯底類型的不同可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延兩大類。

同質(zhì)外延是在GaN單晶襯底上外延生長GaN器件，由于GaN襯底生長難度及速度的限制，晶圓尺寸小且價格昂貴，還未有成熟產(chǎn)品面世。

異質(zhì)外延顧名思義，即采用非GaN材料作為襯底，常用的有p型硅（p-type Silicon）、藍(lán)寶石（Al2O3）、碳化硅（SiC）等。其中p型硅是目前制造GaN 功率器件最主流的襯底。對比其他襯底類型，其晶圓尺寸最大，單片晶圓價格最低，且能與Si-CMOS線兼容，是當(dāng)前發(fā)展?jié)摿ψ畲?、成本最?yōu)的商用化方案。

除了上述常用的襯底，業(yè)內(nèi)還在積極探索如QST、SOI等新的襯底解決方案。

04目前有哪幾種增強(qiáng)型GaN器件的實(shí)現(xiàn)方法？

目前商用的增強(qiáng)型實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：p-GaN帽層結(jié)構(gòu)和Cascode級聯(lián)方案。

p-GaN帽層結(jié)構(gòu)：在柵極金屬下方通過外延生長引入Mg摻雜的p-GaN帽層，耗盡柵下溝道，實(shí)現(xiàn)器件的零壓關(guān)斷。

Cascode級聯(lián)方案：利用增強(qiáng)型的低壓Si MOS形成常關(guān)型，耗盡型的高壓GaN用于耐壓，屬于多die合封方案，器件的動靜態(tài)以及高低溫匹配具有難度。該技術(shù)適用于高電壓、小導(dǎo)通電阻區(qū)間，不適合中低壓器件解決方案。

05GaN器件的柵極到源極的最大耐壓是多少？

云鎵增強(qiáng)型E-mode GaN器件的柵極結(jié)構(gòu)為肖特基柵極結(jié)構(gòu)，其正向耐壓主要由肖特基結(jié)決定，目前云鎵GaN器件柵極正向耐壓可以確保大于12V。

06GaN器件的ESD防護(hù)如何實(shí)現(xiàn)？

GaN器件因?yàn)榻Y(jié)電容小、耐壓低，ESD防護(hù)能力較弱。目前云鎵GaN產(chǎn)品芯片內(nèi)部集成了ESD泄放電路，能夠有效提升GaN器件HBM/CDM等級。云鎵ESD電路具有自主IP，擁有正向和反向ESD泄放能力，同時滿足負(fù)壓關(guān)斷的應(yīng)用需求。此外也可以根據(jù)客戶對防護(hù)等級的要求進(jìn)行定制化設(shè)計。

07GaN器件有反向恢復(fù)電荷Qrr嗎？

GaN器件為單極器件，沒有反向恢復(fù)電荷Qrr。

08GaN器件有體二極管嗎？

GaN器件是通過材料極化產(chǎn)生的溝道。無需形成PN結(jié)，沒有體二極管。其反向?qū)ǎǖ谌笙迣?dǎo)通）的基本原理是VG – VD > Vth：

1） 在零壓關(guān)斷場景下（VG = 0），當(dāng)VSD = Vth時，器件開始導(dǎo)通續(xù)流；

2） 在負(fù)壓關(guān)斷場景下（VG < 0），當(dāng)VSD = Vth + |VG| 時，器件開始導(dǎo)通續(xù)流。

如下圖所示：

不同于Si器件，GaN器件在反向?qū)ㄟ^程中沒有體二極管參與，所以不存在反向恢復(fù)電荷效應(yīng)，因此在高壓的橋式電路以及中低壓的同步整流電路中效率很高。

09GaN器件有雪崩擊穿能力嗎？

GaN器件無體二極管，因此GaN器件沒有雪崩擊穿能力。云鎵的GaN器件目前漏極擊穿電壓大于1000V，可以確保系統(tǒng)的安全性。

10GaN器件的導(dǎo)通電阻構(gòu)成有哪幾部分？

溫度對GaN的導(dǎo)通電阻影響是怎么樣的？

GaN器件導(dǎo)通電阻主要由兩部分組成，第一部分是GaN器件的前段電阻RDSON(FE)，這部分電阻是由GaN器件的材料屬性決定，也是GaN器件導(dǎo)通電阻的主要來源。如下圖所示，該前段電阻主要由R2DEG (漂移區(qū)電阻)，R2DEG(Gate)（柵極下方溝道電阻），RC（源漏接觸電阻）構(gòu)成：

R2DEG = L2DEG / WG x Rsh，R2DEG(Gate) = L2DEG(Gate) / WG x Rsh(Gate)

RDSON(FE)=2xRC+R2DEG+R2DEG(Gate)

第二個部分是GaN器件的后段電阻RDSON(BE)，這部分電阻是由互聯(lián)金屬層電阻及層間通孔電阻和封裝電阻組成，與GaN器件的互聯(lián)以及封裝設(shè)計有關(guān)，與GaN器件材料關(guān)系不大。

溫度對RDSON的影響主要表現(xiàn)在對RDSON(FE)和RDSON(BE)的影響，RDSON(FE)包括2DEG和RC的溫度系數(shù)，RDSON(BE)主要包括Metal（Cu，Al等）的溫度系數(shù)。溫度對GaN器件的影響取決于以上各部分的貢獻(xiàn)，取決于器件的設(shè)計。

11如何理解GaN器件的柵極電荷QG？

類似于Si基器件，GaN器件的電容主要由CGS、CGD和CDS三部分極間電容組成?；诖?，我們可以得到輸入電容Ciss = CGS + CGD，輸出電容Coss = CDS + CGD，反向傳輸電容Crss = CGD。柵極電荷QG即Ciss充電電荷，我們可以從GaN器件的開關(guān)過程來提取柵極電荷QG。云鎵650V系列產(chǎn)品柵極電荷QG vs VGS曲線如下：

12如何理解GaN器件的Qoss和Eoss？

GaN器件電容主要有Ciss，Coss，Crss三個部分組成，GaN器件典型C-V曲線如下；

Qoss即GaN器件的輸出電荷，通過輸出電容對輸出電壓積分獲取，其計算公式如下：

Eoss即輸出電容Coss對應(yīng)產(chǎn)生的損耗。在硬開關(guān)應(yīng)用條件下，輸出電容Coss產(chǎn)生的能量損耗Eoss和功耗Poss可通過以下公式計算：

13如何理解GaN器件的Co(tr) 和Co(er)？

由于功率器件的Coss是Vds相關(guān)的非線性曲線，對于評估開關(guān)速度以及開關(guān)損耗不夠直接。對于輸出電荷以及開關(guān)速度，電源工程師可以用等效的Co(tr) 進(jìn)行評估：

對于硬開關(guān)下Coss引起的開關(guān)損耗，電源工程師可以用等效的Co(er) 進(jìn)行評估：

測試

如何測量GaN器件的tdon，tdoff，tr和tf？

云鎵采用感性負(fù)載電路，來評估GaN器件的開關(guān)特性，并提取器件的開關(guān)過程參數(shù)；

云鎵650V GaN產(chǎn)品CG65200DBA開關(guān)參數(shù)如下表：

可靠性

什么叫GaN器件的動態(tài)電阻退化？

當(dāng)GaN器件經(jīng)歷了高壓或者嚴(yán)重的硬開關(guān)IV交疊應(yīng)力之后，導(dǎo)通電阻比初始靜態(tài)導(dǎo)通電阻值增大，這種現(xiàn)象叫做動態(tài)電阻退化。造成GaN器件動態(tài)電阻退化的主要原因是：高電壓條件下，電子在電場作用下被界面或者外延層中的陷阱俘獲，造成了負(fù)電荷的存儲；當(dāng)器件再次導(dǎo)通時，因?yàn)榇鎯Φ呢?fù)電荷緣故，溝道中的電子被部分耗盡，致使導(dǎo)通電阻增大。

應(yīng)用

01可以使用5V去驅(qū)動云鎵的650V GaN晶體管嗎？

不建議，為了實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻，在柵極電壓達(dá)到閾值電壓后，還需要額外的過驅(qū)動電壓使器件完全打開，保證柵下溝道完全開啟。此外考慮柵極耐壓及長期可靠性，柵極電壓不能超過最高可靠性工作電壓。

02是否必須使用負(fù)柵極電壓去關(guān)斷GaN器件？

不是，E-mode GaN產(chǎn)品為常關(guān)型器件，負(fù)壓關(guān)斷是為了規(guī)避大電流關(guān)斷時存在的誤導(dǎo)通風(fēng)險。相較于傳統(tǒng)的Si 基功率器件，E-mode GaN器件閾值較低，這使得大電流關(guān)斷時器件存在更高的誤導(dǎo)通風(fēng)險。

云鎵半導(dǎo)體具有多年的GaN量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在器件級和系統(tǒng)級都有相應(yīng)的解決方案：在器件級，云鎵通過器件設(shè)計、驅(qū)動合封等途徑積極降低器件寄生電感。在系統(tǒng)級，可以通過優(yōu)化驅(qū)動回路降低寄生電感，同時云鎵還在積極探索驅(qū)動和GaN功率器件的單片集成方案。

03可以用傳統(tǒng)的Si驅(qū)動器驅(qū)動GaN器件嗎？

可以。如下所示為傳統(tǒng)的Si驅(qū)動器來驅(qū)動GaN器件。具體的驅(qū)動過程如下：

turn-on：驅(qū)動輸出高電平時，驅(qū)動電流路徑為“Drive-R3-R2-R4//D2-GND”，齊納管穩(wěn)出的 6.2V 電壓加在 GaN器件柵極，管子導(dǎo)通， 此時 C1 兩端的壓降 VC1 = VCC - 6.2V。

turn-off：驅(qū)動輸出低電平時，電容C1經(jīng)過“R1-D1-Drive-GND”放電，由于C1電容兩端電壓不能突變，柵極電壓關(guān)斷會自帶一個瞬態(tài)的負(fù)壓關(guān)斷。

04為什么云鎵的GaN器件除了G/S/D管腳，還有一個額外的SK腳？

SK端口為Kelvin Source端口，如下圖所示，在使用的時候，SK端口接入驅(qū)動回路，不參與功率回路的工作。在開關(guān)過程中，源極上的寄生電感在大的di/dt場合下容易導(dǎo)致柵極波形振蕩。引入SK端口后，功率回路和驅(qū)動回路實(shí)現(xiàn)了分立，功率回路電流轉(zhuǎn)換在寄生電感上引起的振蕩不會對驅(qū)動回路造成影響，SK端口可以有效降低器件源極寄生電感對驅(qū)動信號的干擾。

05如何控制GaN器件的開通和關(guān)斷dv/dt？

GaN器件的開通和關(guān)斷dv/dt可以通過柵極驅(qū)動電阻（Rgon和Rgoff）進(jìn)行調(diào)節(jié)，如下電路圖所示。也可以在器件柵極和源極之間并電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。

來源：云鎵半導(dǎo)體

審核編輯：湯梓紅