氮化镓的创新方向

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近年来，电力电子行业对氮化镓（GaN）晶体管的兴趣大幅增长。

在电力电子应用中，电能需要从一种形式转换为另一种形式——例如，交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)（反之亦然），或者直流电从低电压转换为高电压（反之亦然）。氮化镓 (GaN) 具备所有必要的特性，能够在宽广的输出功率范围和/或高频条件下高效转换电能。

首先，GaN是一种宽带隙材料（3.2 eV），具有较高的击穿临界电场。其次，GaN/AlGaN材料体系是GaN晶体管结构的核心，具有高电子迁移率。这是由于在GaN/AlGaN界面处形成了二维电子气，从而形成低电阻导电沟道。

这些材料特性的结合使得器件能够实现快速开关，同时降低器件寄生参数和开关过程中的能量损耗。这转化为高功率转换效率，即输出功率与输入功率之比。在这一指标上，GaN基器件优于传统的Si基功率晶体管（包括成熟的Si MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)），尤其是在需要宽范围输出功率和/或高开关频率时。

高开关速度还带来一项额外好处：变压器、电感器和电容器等无源元件（电源传输和转换系统中的关键元件）可以做得更小更轻。这有利于降低（环境）足迹、成本和提高 整个电力电子系统的可靠性。

基于氮化镓的晶体管：优异的功率转换效率、高开关速度、紧凑的电路设计

近年来，电力电子行业对氮化镓（GaN）晶体管的兴趣大幅增长。

在电力电子应用中，电能需要从一种形式转换为另一种形式——例如，交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)（反之亦然），或者直流电从低电压转换为高电压（反之亦然）。氮化镓 (GaN) 具备所有必要的特性，能够在宽广的输出功率范围和/或高频条件下高效转换电能。

首先，GaN是一种宽带隙材料（3.2 eV），具有较高的击穿临界电场。其次，GaN/AlGaN材料体系是GaN晶体管结构的核心，具有高电子迁移率。这是由于在GaN/AlGaN界面处形成了二维电子气，从而形成低电阻导电沟道。

这些材料特性的结合使得器件能够实现快速开关，同时降低器件寄生参数和开关过程中的能量损耗。这转化为高功率转换效率，即输出功率与输入功率之比。在这一指标上，GaN基器件优于传统的Si基功率晶体管（包括成熟的Si MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)），尤其是在需要宽范围输出功率和/或高开关频率时。

高开关速度还带来一项额外好处：变压器、电感器和电容器等无源元件（电源传输和转换系统中的关键元件）可以做得更小更轻。这有利于降低（环境）足迹、成本和提高 整个电力电子系统的可靠性。

基于氮化镓的快速充电器进入量产阶段

氮化镓（GaN）大规模量产的突破出现在2023年左右，当时基于氮化镓的快速电池充电器被推向市场。“采用氮化镓技术”也因此成为这些应用领域的品牌。

氮化镓在这些应用领域的市场普及被认为是进一步拓展市场的垫脚石。与硅基系统相比，该技术有望催生新一代产品，这些产品尺寸更小、重量更轻、能效更高。

例如，车载充电器和DC/DC转换器等汽车应用就采用了氮化镓晶体管。氮化镓晶体管在储能系统和家用太阳能逆变器中也发挥着重要作用，在持续增长的光伏市场中占据了一席之地。它们还有望用于电信和数据服务器的电源，以及人工智能数据中心。

氮化镓技术或许还能进军机器人市场，用于制造高频率的紧凑型电机驱动器。再比如冰箱和洗衣机等家用电器，能效标签往往是消费者做出购买决定的关键因素。

氮化镓是高功率应用的首选材料，因为其晶体管击穿临界电压比硅高约10倍。此外，对于低功率应用（20V至100V），氮化镓也优于硅，因为它具有更高的开关速度和更紧凑的尺寸，这有利于多种应用。

它为小型高效的48V DC/DC 转换器和12V 负载点 (PoL) 转换器铺平了道路，这些转换器广泛应用于许多电子系统中。例如，智能手机、平板电脑或笔记本电脑都包含多个工作电压不同的设备。移动系统不仅需要 AC/DC 和 DC/DC 转换器来为电池充电并将 12V 电压分配到整个 PCB 板上，还需要 PoL 转换器，将电压进一步降压至 1V 以下，并将其单独输送到每个靠近负载的设备。

氮化镓（GaN）技术发展的主要驱动力之一是各行业对脱碳和提高能源效率的需求。目前，氮化镓技术正在加速量产，多家半导体公司已取得突破性进展。

但成功也取决于能否建立一个强大的生态系统，并共同推动从氮化镓生长到封装解决方案的创新。正如CMOS一样，开发氮化镓功率电子器件需要设计、外延、工艺集成和应用之间的紧密结合。

横向HEMT器件、双向开关、垂直GaN FET等等：种类繁多的GaN基器件

目前，GaN 研发工作主要集中在三种类型的器件上：横向高电子迁移率晶体管 (HEMT)、双向开关和垂直 GaN 场效应晶体管 (FET)。

一、横向HEMT：电力转换器行业的主力军

目前市面上几乎所有GaN功率晶体管都采用横向AlGaN/GaN基HEMT结构。在这种横向结构中，晶体管的三个引脚（源极、栅极和漏极）位于同一平面表面。得益于自然界的巧妙设计，AlGaN/GaN界面处的二维电子沟道无需外部栅极偏置即可自发形成。

这意味着该器件通常处于导通状态，需要施加负栅极偏置才能耗尽沟道并使其关断：它是一种耗尽型或D型器件。D型器件是高功率和高电压应用的首选。例如，车载充电器，其导通沟道的低导通电阻是一项关键指标。

然而，大多数嵌入式电力电子系统为了确保故障安全运行，需要常关型（增强模式或e模式）器件。因此，必须对HEMT器件架构进行修改以支持e模式运行。最常用的方法是在栅电极下方添加一层p型掺杂的GaN层。

E 型功率器件也可以采用所谓的级联 D 型 HEMT 配置，其中 D 型 HEMT 与基于硅的低压功率器件组合在一起。HEMT 能够实现高电压运行，而基于硅的功率器件则确保故障安全运行。

横向 p-GaN HEMT 的巨大潜力激励着研究人员进一步提升其性能和功能。

二、双向开关：可用于电池保护和交流/交流转换器

传统上，横向p型GaN HEMT用于AC/DC或DC/DC转换器。通过改进其器件结构，可以实现双向开关，从而在两种极性下都能导通电流并阻断电压。例如，在电池保护电路和矩阵转换器（无需直流链路的高效AC/AC转换器）中，就需要这种开关。

在传统的硅器件实现中，双向开关是通过将两个分立的单向MOSFET或IGBT以反并联或反串联的方式连接而成的。GaN HEMT技术通过在传统HEMT结构中添加第二个栅极，提供了一种更为简单的设计方法。

三、垂直氮化镓器件：适用于650V以上电压的替代方案

将 650V p-GaN HEMT 的电压提升至 650V 以上会带来双重功耗增加：为了提高击穿电压和增强器件的稳定性，栅极到漏极的距离需要增加，但这反过来又会增加导通电阻。因此，在相同的导通电阻下，HEMT 的功耗会随着电压的升高呈二次方增长。

垂直GaN基MOSFET器件正被探索作为一种适用于650V以上工作电压的替代器件架构。在垂直GaN器件中，源极和栅极位于器件表面，而漏极则位于外延堆叠层的底部。因此，电场可以垂直分布在整个材料堆叠层中。

近年来，多通道氮化镓（GaN）器件取得了显著进展，其优势与传统CMOS逻辑应用中的环栅器件类似：在更小的尺寸下实现更高的电流密度，同时保持较低的关断电流和串联电阻。氮化镓 是一项相对年轻的技术，器件开发仍有很大的空间。

未来几年，我们期待许多创新技术能够服务于下一代电力电子设备。其中，p沟道GaN HEMT的短缺成为了业界的变通方案

长期以来，GaN 研究人员一直关注一个主要问题：目前还没有性能达到可接受水平的p 沟道 GaN器件。

CMOS 设计采用 n 沟道和 p 沟道器件的组合，以确保逻辑运算的最佳性能。但在 GaN 中，空穴的迁移率比电子低约 60 倍。这意味着以空穴为主要载流子的p 沟道器件的尺寸将是n 沟道器件的60 倍。

这种n沟道和p沟道器件的“非对称”配置效率极低。业界通过多种方式来解决这个问题。在电阻-晶体管逻辑电路中，p沟道器件被电阻器所取代。虽然这需要在开关时间和功耗之间做出权衡，但对于许多电力电子电路来说，这种方法已经足够有效。

另一种方案是直接耦合FET逻辑，它是d模和e模HEMT共集成的结果。

用于氮化镓外延生长的衬底：扩展至 200 毫米和 300 毫米晶圆尺寸

氮化镓器件的性能不仅取决于材料堆叠结构和器件架构，还与生长氮化镓材料堆叠结构的衬底密切相关。此外，衬底的选择对于决定氮化镓技术的经济可行性至关重要。

从技术角度来看，原生GaN衬底具有最佳的材料质量。但它们价格昂贵，而且目前仅适用于小直径晶圆（最大150毫米（6英寸））。因此，它们很难跟上当今电力电子行业的趋势：200毫米（8英寸）衬底已成为行业标准，并且在条件允许的情况下，会考虑将其尺寸扩大到300毫米（12英寸）。

更大的晶圆直径可以降低器件制造成本，使其成为对成本敏感的市场（如快速充电器、工业和消费电源系统以及移动设备、GPU 和 CPU 的电源输送系统）的首选。

硅是能够实现更大晶圆尺寸扩展的衬底之一，同时也能支持采用CMOS兼容的制造方法来制造GaN-on-Si器件。近年来，业界在克服AlGaN/GaN异质结构在硅衬底上外延生长所面临的挑战方面取得了显著进展。通过设计AlGaN/GaN和硅之间的缓冲层，并优化外延生长条件，可以解决材料热膨胀系数和晶体结构不匹配的问题。

如今，GaN-on-Si技术正迎来一个新时代：从200mm硅晶圆过渡到300mm硅晶圆。过渡到300mm硅晶圆的优势远不止降低制造成本。CMOS兼容的GaN-on-Si技术将能够使用300mm的先进设备，其能力远超200mm设备。通过扩展加工工具和计量设备的功能，将能够开发出更先进的GaN基功率器件。

对于更高电压的应用，业界正在探索其他替代方案，目前也正在研究其他衬底用于特定的电力电子应用，但目前它们主要处于研究阶段：氧化镓（Ga2O3 ）和SiC-on-Si。

电路和系统发展趋势：单片集成和混合集成程度各异；系统级优化程度不断提高

最初，大多数基于氮化镓（GaN）的功率系统都是由多个芯片组成的。GaN开关作为分立元件组装，并通过印刷电路板（PCB）与其他非GaN元件连接。这种方法的缺点是存在寄生电感，会影响器件的性能。以栅极驱动器为例，该元件为GaN晶体管的栅极提供电流，从而控制晶体管的导通和关断。如果将分立的GaN晶体管和驱动器集成在单独的芯片上，驱动器的输出级和晶体管的输入级之间就会存在寄生电感。降低寄生电感并充分利用GaN优异开关速度的最佳方法是采用GaN技术制造驱动器和高电子迁移率晶体管（HEMT），并将它们集成在同一芯片上。然而，这种单片集成长期以来一直难以实现，主要原因是缺乏互补的GaN器件，以及难以在单个芯片上获得用于隔离不同元件的功率域。

但近年来，GaN功率开关与其他构建模块的单片集成取得了巨大进展。目前，研发团队正在探索不同的研发方向。一方面，一些功能模块被单片集成，以提高GaN功率器件的智能性和鲁棒性。例如，通过将电流传感器、温度传感器、栅极驱动器的输出级以及过压保护电路等集成到GaN功率器件中，便可得到这种“智能分立元件”。另一方面，我们也看到一些功率电子系统实现了最大程度的单片集成，包括半桥、全栅极驱动器、浮动电源电压、隔离式电平转换器、死区时间控制以及保护电路等。

除了单片集成度的提高，我们也看到一些混合集成方案涌现，以实现定制化的性能。例如，一种800V逆变器由基于GaN的650V双向开关和基于SiC的1200V开关组合而成。又如，基于Si的BCD芯片（结合了Si基双极型、CMOS和DMOS技术的芯片）上叠加GaN器件，并采用芯片到晶圆或芯片到芯片的3D集成技术进行集成。

电力电子行业并非“赢家通吃”的市场。我们将看到各种组合并存，在功率转换效率、设计简易性、速度、鲁棒性、尺寸和成本之间进行权衡，以最终满足应用需求。基于此，人们越来越关注系统级优化，而非组件级优化。

可靠性、稳健性和封装：技术采用的关键因素

可靠性、稳健性和封装也是氮化镓器件成功应用于各种应用的关键因素。

在器件层面，可靠性受到场板设计对峰值电场的控制、靠近与 AlGaN 极化层界面处的介电层中的电荷俘获以及外延层的质量和缺陷的影响。

金属有机化学气相沉积 ( MOCVD ) 生长技术和工艺控制的进步在缓解这些挑战方面发挥了关键作用。

p-GaN HEMT的一个特性是，在正向栅极电压偏置下工作时，其在较低温度（例如 -25°C）下的寿命较短。这可以用失效机制的负激活能来解释。这对于某些应用和工作条件（例如，在北方国家部署 GaN 基器件）可能非常重要，因此需要在低温范围内扩展（栅极）可靠性测试。

然而，GaN的可靠性不应仅从器件层面考虑。通过添加有助于控制GaN晶体管栅极并抑制瞬态（即开关操作期间发生的电压或电流的瞬态变化）的组件和电路， 可以在系统层面提高可靠性和鲁棒性。

欠压锁定、过流保护以及将数据反馈给栅极驱动器的温度传感器，对于充分发挥 GaN 开关器件的性能和可靠性都至关重要。

最后，基于氮化镓的器件和系统的高电压和高功率能力，需要有效的封装解决方案来应对高电压和高温，而不会引起电气击穿。

结论

基于氮化镓的电力电子系统在各个行业都具有巨大的潜力，它们可以支持整体脱碳，并为社会日益增长的电气化和数字化做出贡献。

氮化镓（GaN）晶圆技术、器件架构、可靠性和稳定性方面的进步 ，系统级应用经验的积累，以及业界对该技术的巨额投资，共同促成了GaN技术的市场突破。目前，基于GaN的快速充电器已实现商业化，但预计这项技术将凭借新一代紧凑型、节能型产品开拓新的市场。

氮化镓（GaN）是一项相对年轻的技术，具有很大的创新和优化空间。但它的成功也取决于整个生态系统在各个层面的密切合作能力——从氮化镓集成电路设计、氮化镓外延生长到最终应用。

https://www.imec-int.com/en/articles/unlocking-full-potential-gan-technology-next-gen-power-electronics

（来源：编译自imec）

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