GaN HEMT 为何能提升电源效率

作者：Bill Schweber

我得承认一件事。我在电子行业工作多年，既是一名电路设计师，也是一名编辑。我发现包括我在内的大多数工程师对半导体材料、工艺和制造技术的深层细节并不感兴趣。当然，有些人是为了每年的国际固态电路会议 (IEEE ISSCC) 而不懈努力，他们关心工艺细节和创新，他们的工作非常之重要，令人印象深刻，令人钦佩。

然而，大多数设计工程师真正想知道的并不是器件如何制造，而是器件能用来做什么：优势、劣势、权衡以及其他关键属性。“我的工艺比你的更小、更好、更省电、更快，也许成本还更低”本身并不令人兴奋；相反，对于大多数潜在用户来说，真正重要的是所生产的部件及其数据表中列出的数字和图表。

尽管有这种观点，但现实是工艺技术非常重要，是半导体性能和功能取得进步的基础。在当前的功率器件领域尤其如此，新型工艺或增强型工艺的商业化正在重新定义开关电路及其系统的功能。应用范围从小型智能手机充电器到电动汽车及其充电站。我们可以用颠覆性来描述这些进步，但这个词已被用滥，失去了其真正的意义。

新功能的核心是宽带隙设备

这一变革的核心是采用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 材料和工艺制造的宽带隙 (WBG) 功率半导体的出现。与传统的纯硅 (Si) 器件相比，宽带隙 (WBG) 器件优势众多，在许多情况下，正在取代传统的纯硅器件，或实现以前无法实现的新设计（图 1）。

图 1：基于 GaN 和 SiC 的功率器件的相对属性表明，与纯硅器件相比，这些更新的 WBG 器件的性能指标极具吸引力。（图片来源：Scholarly Community Encyclopedia）

具体来说，基于 GaN 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 在开关频率、额定功率、散热能力和效率方面均优于传统的硅基器件，而所有这些都是提高先进功率转换器性能的关键因素。这些优势得益于 GaN 固有的 WBG 电压、高临界击穿电场、高热导率和高电子饱和速度等优点。基于 GaN 的功率开关器件可提供小“导通”电阻、大电流能力和高功率密度。

商用 GaN 基功率开关器件的工作电压从 100 V 到几乎 1000 V 不等，开关频率高，工作温度高且开关损耗小。GaN 的各项性能优于 SiC，但其结晶和加工会更加困难。

HEMT 是一种 GaN 技术，其元件仅在基底表面形成，在其基底上可以生长 GaN 晶体。目前，主要的商用 GaN FET 器件都是横向 HEMT。

在 GaN 场效应晶体管的横向结构中，有一个硅基底、一个 GaN 缓冲器、一个氮化铝镓 (AlGaN) 势垒、三个连接端子（源极、栅极和漏极）、一层钝化层（保护电介质）和一个从源极延伸出来的静电场起电板（图 2）。AlGaN 势垒和 GaN 缓冲器的异质结（两种不同半导体之间的结点）形成了二维电子气体 （2DEG） 通道。

图 2：GaN 功率器件的结构显示了多层和 2DEG 沟道，电流流经该沟道或被切断。（图片来源：ResearchGate）

该沟道具有很高的电荷密度和迁移率。电流在 2DEG 沟道中流动，这与硅 MOSFET 不同。在硅 MOSFET 中，电流流动的沟道是源极和漏极之间的耗尽区。

请注意，标准 GaN HEMT 通常处于“导通”状态，不同于通常处于“关断”状态的传统 MOSFET。要将 GaN HEMT 转为关断状态（在大多数电路设计中，关断状态更方便使用，也更安全），就必须耗尽 2DEG 层，这反过来又会导致电流停止流动。

因此，GaN 开关器件分为两种不同类型：增强型 (e-GaN) 和耗尽型 (d-GaN)。耗尽模式晶体管通常处于导通状态，需要在栅极施加负电压才能关断。增强型晶体管通常处于关断状态，通过在栅极施加正电压来导通。

SiC 对比 GaN

GaN 和 SiC 的最大区别在于它们的电子迁移率不同，即电子在半导体材料中的移动速度。标准硅的电子迁移率为 1500 厘米2每伏秒 (cm2/volt-s)。然而，SiC 的电子迁移率为 650 cm2/volt-s， GaN 的电子迁移率为 2000 cm2/volt-s，这意味着 SiC 的电子移动速度要慢于 GaN 和硅的电子移动速度。

GaN 的电子移动速度比硅的电子移动速度快 30%。由于电子迁移率如此之高， GaN 在高频应用中的适用性几乎提高了三倍。

此外， GaN 的热导率为 1.3 瓦特每厘米 - K (watts/cm-K)，低于硅的 1.5 watts/cm-K。然而， SiC 的热导率为 5 watts/cm-K，使其在传递热负荷方面的效率提高了近三倍。这一特性使 SiC 在高功率、高温应用中具有强大的优势。

GaN 和 SiCk 可满足市场上不同的功率需求。SiC 器件可提供高达 1,200 V 的电压水平和高载流能力。因此，这类器件适用于汽车和机车牵引逆变器、大功率太阳能发电场和大型三相电网转换器等应用。

相比之下， GaN HEMT 器件的额定电压通常为 650 V，可实现 10 kW 及以上的高密度转换器。这类器件的应用包括消费类产品、服务器、电信和工业电源、伺服电机驱动器、电网转换器，以及电动汽车车载充电器和 DC-DC 转换器。

尽管存在这些差异，SiC 和 GaN 技术在 10 kW 以下的某些应用中仍有重叠。

现有的 GaN 器件性能突出

虽然 GaN 器件的开发需要多年的实验室研发和生产努力，但其商业化生产已有十多年的历史。例如 ROHM Semiconductor 的 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z 650 V GaN HEMT 属于这类器件，它们都针对广泛的电源系统应用进行了优化（图 3）。GNP1070TC-Z 是 20 A、56 W 增强模式器件，漏极源极电阻 (RDS(on)) 为 70 mΩ，栅极电荷 (Qg) 仅为 5.5 纳库仑 (nC)（二者均为典型值）。对于 11 A、62.5 W 的 GNP1150TCA-Z 器件，这两个参数分别为 150 mΩ 和 2.7 nC。

图 3：所示为 20 A GNP1070TC-Z GaN HEMT 的内部电路，它与 11 A GNP1150TCA-Z 相似；两者都适用于与一系列 650 V 电源相关的应用。（图片来源：rohm semiconductor）

这两个器件是与开发 GaN 器件的 Delta Electronics 子公司 Ancora Semiconductors 联合开发的。这两个器件均具有市场领先的性能，有助于在更广泛的电源中实现更高的效率和更小的尺寸。

这两个器件采用 8 引线 DFN8080K 封装，大小为 8 × 8 × 0.7 mm（图 4）。

图 4：尽管 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z GaN 器件具有较高的额定电流和电压，但都采用每边只有 8 mm 的封装。（图片源：Rohm Semiconductor）

结束语

与传统的纯硅器件相比，使用 GaN HEMT 的 WBG 功率开关器件拥有巨大的性能优势。与 SiC 器件相比，这类器件在工作频率和热耗散方面也有明显优势；热耗散是实际应用中一个特别重要的考虑因素。通过使用 ROHM Semiconductor 的 20 A/650 V GNP1070TC-Z 和 11 A/650 V GNP1150TCA-Z 等 GaN 器件，设计人员可以实现原本不可行或具有严重工作限制的电源转换器和电源。