氮化鎵 (GaN) 是一種寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體材料，與硅或碳化硅相比，具有優(yōu)越的電性能和效率。本文基于將分析氮化鎵的主要特性及其在電力應(yīng)用中作為垂直導(dǎo)電功率器件所帶來的益處。

　　芯片尺寸

　　在相同的電氣特性下，如擊穿電壓、導(dǎo)通電阻和最大電流，基于氮化鎵的垂直導(dǎo)電功率器件所需的芯片表面積比基于硅和碳化硅的器件更小，從而增加了每片晶圓的芯片數(shù)量(良率)。如圖1所示，基于垂直GaN的器件在相同性能下可以縮小芯片面積最多達十倍。

圖1

　　縮小芯片尺寸有兩個重要好處：

　　成本降低，因為相同尺寸的晶圓可以生產(chǎn)更多的器件。

　　電容的減少最多可達十倍，從而有可能在不影響效率或增加功率損耗的情況下提高晶體管的開關(guān)頻率。

　　高開關(guān)頻率在電力轉(zhuǎn)換電路和開關(guān)電源(SMPS)中至關(guān)重要，廣泛應(yīng)用于消費電子、電動汽車和工業(yè)機械等領(lǐng)域。隨著開關(guān)頻率的提高，這些電路所需的無源元件(主要是電感器和電容器)的尺寸將減小，從而影響解決方案的整體尺寸。這意味著，與基于SIC的等效方案相比，基于垂直GaN器件的解決方案可以將體積和重量減少最多四倍。

　　水平結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前的GaN晶體管屬于HEMT(高電子遷移率晶體管)類型。最初為射頻 (RF) 應(yīng)用開發(fā)，后來其結(jié)構(gòu)被修改以適應(yīng)開關(guān)應(yīng)用。

　　如圖2所示，GaN HEMT晶體管的端子位于晶圓表面，而電流通過在AlGaN和GaN界面之間由于這兩種材料的極化差異而創(chuàng)建的通道流動。這種結(jié)構(gòu)不需要對半導(dǎo)體進行摻雜，但其缺點是晶體管處于“通常導(dǎo)通”狀態(tài)，因為電流通常可以從源端流向漏端，直到在柵端施加偏置電壓。由于這一點對電路安全至關(guān)重要，這些晶體管通常與控制其激活的硅開關(guān)耦合。

圖2

　　相反，大多數(shù)基于硅和碳化硅的晶體管具有一種電流在源端和漏端之間垂直流動的結(jié)構(gòu)。這些增強模式器件通常處于關(guān)閉狀態(tài)，直到在柵端施加偏置電壓。垂直GaN相對于水平GaN的另一個優(yōu)點是能夠承受高電壓。在垂直GaN中，電壓隨著外延層的厚度增加而增加。在水平GaN中，必須增加芯片尺寸以適應(yīng)更高的電壓。對于額定1200V的器件，水平GaN器件的尺寸大約是等效垂直GaN器件的五倍，且如上所述具有更低的電容額外好處。

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