垂直氮化镓功率器件的结构特点及与传统硅和碳化硅的区别

氮化镓(GaN)是一种高带隙材料（high bandgap material），与硅相比，它可以使功率器件在更高的温度下工作，并能承受更高的电压。此外，氮化镓的高击穿电压可以使得材料做的比较薄，因此，氮化镓功率器件具备更低的导通电阻 RDS(on)，较低的导通电阻特性使得氮化镓的寄生电容较低。

垂直氮化镓功率器件比硅小 90%，寄生电容与功率器件的面积直接相关，功率器件越小，寄生电容就越小，寄生电容越小，开关频率越大。在大多数典型应用中，尤其是在电源方面，垂直 GaN 的开关损耗比硅 MOSFET 低 67%。

垂直氮化镓功率器件的结构是通过在低缺陷密度的块状氮化镓衬底上形成低缺陷密度外延层，与在非氮化镓衬底上生成横向氮化镓器件相比，垂直功率器件具有更高的可靠性、欠压能力和热应力等优点。

垂直氮化镓能够在高击穿电压下运行(图 1)，这使得垂直氮化镓能够满足最苛刻的应用，如数据中心服务器、电动汽车、太阳能逆变器、电机和高速列车的电源供应。

传统的功率器件和横向的镓对硅

功率器件是电力电子设备中经常使用的重要器件，例如常见到的电源转换器或适配器。这类设备大多数被称为开关模式电源(SMPS)，其主要是使用电容器、电感器、变压器和半导体开关将功率从具有给定电压和电流的输入端转移到具有不同电压/电流配置的输出端(图 2)。

电容器、电感器和变压器是无源的物理上较大的元件。为了减小开关模式电源(SMPS)的大小，它们必须在高频率下工作。为了在高频率下工作，它们需要一个更好的半导体开关，它可以克服现有的硅基开关的限制，通常最高可达几百千赫。

在过去的 30 年里，像 MOSFET 和 IGBT 这样的硅器件主导了电力设备市场。不过，近年来硅 MOSFET 的性能只增加了一点点，可以说硅已经达到了其物理极限，这也是由硅材料所决定的。

除了硅材料之外，还有碳化硅(SiC)和氮化镓，尤其是氮化镓具有更加优良的材料特性。目前的氮化镓功率器件是在混合衬底上制成的，即在硅或碳化硅上的薄层氮化镓形成了 GaN-on- si 或 GaN-on- sic HEMT(高电子迁移率晶体管)结构(图 3)，这类器件成为横向氮化镓功率器件。

横向氮化镓功率器件的结合材料具有不匹配的热膨胀系数(CTE)，因此这损害了功率器件的可靠性和性能。此外，在典型的氮化镓 HEMT 器件中，沟道非常接近表面(大约几百纳米)，这会造成钝化和冷却问题。而在侧向 GaN-on-Si 器件中，漏源是处于分离结构，漏源分离越大可以使功率器件的击穿电压越大，但较大的漏源分离会增加导通电阻，从而限制功率器件的驱动电流能力。为了补偿这一点，功率器件必须做得更宽。因此，为了获得功率器件更高的电压和更高的电流，就会导致功率器件具有更大的面积，因此具有更高的寄生电容。因此，横向器件的击穿电压通常限制在大约 650 V。

雪崩击穿是硅和碳化硅器件在短期过压保护自身的关键特性。GaN-on-Si HEMT 结构中 PN 结的缺失失去了这些器件的雪崩击穿特性。此外，由于靠近器件表面的电流传导的敏感性，GaN-on-Si HEMT 很难从表面冷却；同时缓冲层将硅衬底与氮化镓层分开，限制了底部冷却的效率。这意味着必须生成特定的封装来冷却 GaN-on-Si HEMT，这又进一步增加其成本。

垂直氮化镓功率器件

根据上面的分析可以得出，氮化镓和硅或碳化硅之间的晶格不匹配降低了氮化镓的电性能并影响其可靠性，而垂直氮化镓功率器件是将氮化镓器件在氮化镓衬底上生长，由于是相同的材料，晶格和热膨胀系数（CTE）完全匹配的。因此，非常厚的氮化镓层可以在块状氮化镓衬底上外延生长，从而可以产生非常高的电压器件。

垂直氮化镓技术解锁了氮化镓的优越材料特性的全部潜能，此外，垂直氮化镓器件充分利用这种材料的结构优点，例如，通过增加漂移层的厚度来提高击穿电压，通过增加器件的面积来减小导通电阻，从而增大驱动能力。

通常，在交流系统中需要高性能的功率因数校正电路，以显著降低谐波失真。垂直 GaN 的高开关频率使新的控制算法成为可能，并通过更小的面积和更高的效率提供了所有这一切。

图 5 显示了增强模式垂直氮化镓场效应晶体管(eJFET)和 GaN-on- si 高电子迁移率晶体管(HEMT)的示意图。左侧是一个漂移厚度大于 40µm、击穿电压大于 4000V 和导通电阻 2.8 mΩ.cm2 的氮化镓功率器件。对于相同的驱动电流能力，垂直氮化镓器件的尺寸大约比 650V GaN-on- si HEMT 小六倍，但可以提供更大的击穿电压达 1200V。另外，垂直氮化镓功率器件具有雪崩能力，当超过指定的击穿电压时保护设备。

垂直氮化镓器件是通过在晶体管内部的漂移层中传导电流，因此，没有动态导通电阻 RDS(on)变化的缺点。栅源二极管耗尽区向通道的延伸控制了漏极和源极之间的电流流动，在电压超过击穿电压的情况下，雪崩最初通过反向极化栅源二极管发生，随后引起雪崩电流增加栅源电压，通道打开并导通。

由于输出寄生电容小，应用中的开关损耗也非常小。与横向氮化镓设备相比，热量通过均匀的材料(没有附加层)直接从设备的顶部和底部转移到封装引脚 (图 6)。

在电源电路中使用垂直 GaN

氮化镓功率器件的控制原理和硅 MOSFET 的控制逻辑一样：栅极和源极之间的电压差(VGS)控制着漏极和源极之间的电流。当 VGS 低于阈值电压(Vt)时，JFET 通道关闭；当 VGS 大于 Vt 时，通道打开，电流可以在源和漏之间流动。氮化镓功率器件的电子迁移率高，再加上 PN 结的寄生电容较小，可以产生较低的功率损耗，这可以使氮化镓功率器件能够在较高频率（1MHz 以上）下高效运行。

氮化镓功率器件的对称结构允许源极和漏极交换功能，如果漏极端电压低于源极端电压，则通道电流可以反向流动。这类似于在硅 MOSFET 中的体二极管的功能，但没有少数载流子/反向恢复电荷去除造成的损失和潜在的可靠性问题。

NexGen 的垂直氮化镓功率器件可以由成熟的低成本标准硅 MOSFET 驱动(图 7)，只需对现有设计进行少量修改，这加快了电源设备的设计进度。

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