GaN器件特性简介-gan器件工程师

 

本篇文章将介绍GaN器件的特性。

1. 宽禁带半导体(Wide BandGap Semicondutor)缘起

GaN器件目前被称为HEMT (High Electron Mobility Transistors)，这种高电子迁移率的晶体管用于许多电子设备中，例如全控型电力开关，高频的放大器或振荡器。下面这张图，展示了GaN器件的主要应用场景。

GaN器件应用场景

由于本文主要介绍GaN，宽禁带半导体家族的其它成员SiC、GaAs等则不作过多的讨论。因为博主的专业是电力电子，将重点关注GaN器件的在电力电子全控型器件中的应用。

2.二维电子气(2DEG) & 沟道导电技术

与硅通过掺杂形成PN结不同，GaN器件是通过两种不同的半导体形成一种类似PN结特性的异质结。HEMT中最典型的异质结是GaN / AlGaN组成的异质结。硅作为基础的MOSFET是通过沟道的电子进行导电，通过栅极和源极之间的电压控制沟道的宽度，进而控制电子的通过的量，这也是三极管的饱和、放大和截止三种工作状态的由来。

对于HEMT，工程师惊奇的发现二维电子气竟然也拥有和MOSFET沟道电子一样的特性。栅极和源极之间的电压差以及栅漏之间的电压差竟然也可以控制器件进入饱和、放大以及截止三种工作状态。

二维电子气

HEMT的直流输出特性如下图：

HEMT静态输出特性

在射频电路中，HEMT往往工作在放大状态。但是在电力电子电路中，为了降低器件的损耗，HEMT往往工作在饱和与截止的状态，相当于器件的全导通和关断。在电路中，可以等效为开关闭合与断开。

GaN器件由于通过二维电子气导电，它的工艺结构被设计为水平导电。下图展示了GaN器件裸片Die的一个示意图。

GaN裸片示意图

三个对应区域给出了GaN器件的源极、漏极和栅极，黄色代表导通的电流方向（基于MOS沟道的工艺的电力器件，电流是可以双向导通的）。可以看到，导通的电流方向和器件上表面是平行的，代表这种器件是水平导电的方式。

但是对于电力MOSFET器件，为了增加耐受电压和电流的能力，往往导电结构是垂直的。最典型的就是市面上最广泛的coolMOS技术，是目前应用最广泛的MOS设计技术（没记错的话，英飞凌在这块的做的不错）。

MOS裸片的示意图如下

MOSFET裸片

看MOS裸片的，是不是没有找到漏极？

答案是：漏极在背面。MOS的电流导电方向是垂直平面流入的。

3.GaN器件特性

基于GaN的HEMT市面上主要有两种，一种是基于沟道技术的增强型HEMT(e-HEMT)，另一种是级联型的HEMT(Cascode HEMT)。相比级联型HEMT，增强型HEMT拥有更低的EMI，无反向恢复损耗，且拥有正的温度特性从而更容易并联使用。下图展示了级联型HEMT结构。

级联型HEMT

GaN器件相比SiC和Si器件，拥有更低的导通电阻，更小的充电电容。这些特性让GaN功率器件开关频率突破1MHz。当然，实际考虑散热以及寄生参数等影响，目前如此高的频率还未形成产业化。

GaN有更低的导通电阻，更小驱动电流

下面图展示了GaN HEMT在硬开关模式下，拥有更快的开通和关断速度。

GaN更短的开通和关断时间

与SiC和Si的MOS不同，GaN因为独特的电气特性，不需要反并联二极管。下图给出了e-HEMT的输出电气特性：

增强型HEMT输出特性

在A区和B区，HEMT和普通的MOS一样，拥有饱和，放大以及截止三个对应的状态。但是GaN HEMT和Si以及SiC拥有不同的关断特性。

当栅极电压为0甚至为负的时候，二维电子气会呈现一个类似反并联二极管的特性。为什么是类似呢？这个时候二极管的导通电压满足：

Vf=Vth(GD)+VGS(off)+ISD×RSD(on)V_f=V_{th(GD)}+V_{GS(off)}+I_{SD}\times R_{SD(on)}

导通电压不仅仅需要克服一个二极管的导通电压，开需要克服一个HEMT的关断电压。这种工作模式会带来更大的的损耗。（往往二级管导通电压为1V，HEMT关断电压在2V左右）。下面这个图生动说明三种器件的三种工作模式工作模式。

HEMT，硅MOSFET，硅IGBT对比

GaN器件导通电阻随温度升高而逐渐增加，GaN导通电阻随温度变换的特性如下图所示：

GaN器件导通电阻随温度变换曲线

为什么随温度升高导通电阻增加令器件更容易并联呢？下图给出了答案：

这种特性形成了温度负反馈，因而让器件的温度和导通电阻维持稳定。

同时GaN器件导通电压几乎不跟随温度发生变化。

GaN导通电压不随温度变化

以上基本是GaN器件特性简介，下一篇更新GaN器件的应用——如何驱动GaN以及GaN器件散热与布局的一些问题。