关键词：宽禁带；电力电子器件；氮化镓
Abstract: As a representative of wide band gap semiconductor, gallium nitride devices have developed rapidly in recent years. Besides high pressures resistance and high working temperature, it has the advantages of high working frequency, high power and high linearity, and will be applied to the field of high density power electronics field. This article introduces the characteristics, common types, application fields and current development of Gan devices, and summarizes the existing problems and future development of the devices.
Key words: Wide band gap; Power electronic device; GaN
【中图分类号】TN61/65 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）08-0000-00
1 器件简介
随着电力电子技术的发展，传统硅基器件性能达到其材料决定的极限。宽禁带半导体材料的出现突破了电力电子的发展瓶颈，其器件拥有高耐压、高温、高工作频率能力，拥有很好的发展前景。宽禁带半导体材料主要包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），本文介绍氮化镓器件。自1991年第一只GaN基蓝光LED于日本问世，GaN技术就不断进步，从射频电子，LED照明逐渐走向高压、高频等电力电子领域。GaN具备宽禁带、高饱和电子漂移速度、高热导率和高结温等物理特性，保证其功率器件拥有高功率、高频率、高效率和高温高压条件下工作能力，近年来在电力电子领域快速发展。
和SiC材料不同，GaN材料除其本身可以制成器件，还可以利用其异质结构使用在其他材料衬底上，且后者是GaN器件目前的主要生产方式。GaN可以生长在Si、SiC以及蓝宝石上。在Si衬底上生长的GaN具有低成本和高性能的特点，具有优良的市场竞争力[1]。近几年来，GaN器件在电力电子器件市场所占比重逐步增大，应用领域也逐渐拓宽，如图1所示[2]。

 

GaN器件的工业发展同样在稳健上升，尤其在高功率应用领域，已经成为极有潜力的竞争者。过去的十年中，GaN技术发展得很快，主要是发光二极管制造的需求量很大。目前高频、高压电子器件的平台更多使用GaN基HEMT。国内外研究机构也开展了对GaN器件的广泛研究。Avogy、EPC、Transphorm、Micro GaN、苏州能讯等多家公司相继推出GaN二极管和晶体管产品。而各大国内高校如北京大学、香港科技大学、西安电子科技大学等也积极开展其相关材料和器件的研发工作[3]。
2 器件类型及其常用领域
2.1 功率二极管
（1）氮化镓肖特基二极管（GaN SBD: Schottky Barrier Diode）
GaN SBD分为三种结构：横向、垂直、台式（准垂直），如图2所示[4]。横向结构可以在不掺杂的情况下导通，但会增加器件的面积和成本。垂直结构是电力电子器件使用较多的结构，它允许大电流通过，能够增强器件通流能力，但同时会产生过大的反向漏电流，使击穿电压受限。台式结构是生长在蓝宝石或者SiC上的GaN层，高掺杂的N+层形成良好的欧姆接触（即金属和半导体接触处的纯电阻，该电阻越小越好），该结构结合了横向和垂直器件的优势,且和传统工艺兼容，目前应用最多。具体应用举例如下：

功率整流器：作为一种开关二极管，GaN SBD可以应用在功率整流器中。同等耐压情况下，GaN功率器件的比导通电阻比硅基功率器件低两个量级，比碳化硅功率器件低一个量级。这样GaN器件在开关过程中产生的导通损耗将显著减小[5]。
LED驱动器：DISYNE D等人在开关频率为300kHz，功率20W的离线LED驱动器中分别使用600V的GaN SBD、SiC MPS和Si基超快恢复二极管，结果表明GaN SBD和Si基器件相比使整机效率大大提高，也比使用SiC MPS时的整机效率更高，如图3所示[6]。
 
总体来说，由于缺乏导电GaN衬底，目前GaN SBD大都是横向或准垂直结构。在蓝宝石衬底上已经得到击穿电压高达9.7kV的横向GaN SBD，不过正向压降很高。EPC、恩智浦、Avogy等半导体公司都有电压等级600V的产品问世，器件生产已相当成熟。最近，随着高温氢化物气相外延自立式GaN衬底的推出，600V-1.2kV的GaN SBD生产制造将大大改观，有望和目前的SiC SBD竞争市场[7]。另一方面，GaN JBS(Junction Barrier Schottky Diode)也正在研究中，它可以进一步提高600V-3.3kV范围内GaN功率整流器的性能[8]，不过还需要改进注入P型GaN的接触电阻。
（2）氮化镓PN二极管（GaN PN:PN Diode）
典型的PN二极管截面图如图4所示[6]，它具有很高的电流密度、较高的雪崩击穿能量承受能力和非常小的漏电流。
                     


    和传统Si器件类似，为了提高器件的性能，比如耐压和通流能力，在P、N区之间掺杂本征半导体材料，制成PiN二极管。例如J.B.Limb等人通过掺杂Mg技术在6H-SiC衬底上实现导通电阻很低的GaN PiN二极管[9]。具体应用举例如下：
    紫外辐射探测器：文献[10]在紫外辐射探测器中使用掺杂Al的GaN PiN结构，通过调节本征掺杂区Al的比例，吸收波长在348~244nm范围的光谱，让量子效率最高达到80%[10]。
    BOOST电路：文献[11]在100kHz的Boost变换器中分别采用超快恢复Si二极管和Avogy的GaN pn二极管，结果表明后者不存在反向恢复现象，大大提高了电路的性能[11]。
    功率整流器：GaN PiN二极管具有优异的耐压和通流能力，可以应用在功率整流器中。2000年，T.G.Zhu等人就将掺杂层为2μm，耐压410V的GaN PiN二极管用于功率整流器[12]，而LIMB JB等人已经研制出击穿电压540V的功率整流器。
    目前，Avogy公司已经推出两款阻断电压为1200V和1700V的GaN PN二极管[13]，不过该器件总体处在研发阶段，研究重点是材料的选取、性能提升、应用领域的拓宽。
2.2 功率开关 
（1）氮化镓半导体场效应晶体管（GaN FET: Semiconductor Field Effect Transistor）
常见的是氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管（GaN MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor），分为P/N沟道型或者增强耗尽型。GaN MOSFET大致分为两类：GaN衬底上制作的垂直导通型器件和在Si衬底上制作平面导通型器件，如图5所示[14]。
 

近年来各半导体公司也已推出可靠的增强型GaN MOSFET。它具有常关状态和大导带能带偏移的优势，不易受热电子注入和其他可靠性问题的影响，特别是与表面态和电流崩塌有关的问题，可以很好地弥补SiC MOSFET在该方面的劣势[15]。具体应用举例如下：
单相半桥逆变器：文献[16]对GaN MOSFET和Si MOSFET在不同开关频率及器件工作温度下的效率进行测试比较。实验结果显示，开关频率为50kHz和120kHz时，基于增强型GaN MOSFET的逆变器比基于Si MOSFET的效率分别高出1.47%和1.6%；在40℃，50℃，60℃，70℃温度对比实验时，基于增强型GaN MOSFET的逆变器效率比基于Si MOSFET的分别高1.8%，1.9%，2.0%和2.1%，这表明在开关频率递增或工作温度越高的工况下，增强型GaN MOSFET高效性能越明显[16]。
高压高速开关驱动电路：文献[17]设计了一种GaN场效应晶体管（FET）开关用高压高速驱动器电路，该电路集成了TTL输入级、高压电平转换级及大功率输出级电路，具有响应速度快、功耗低以及抗噪声能力强等特点，可广泛应用于微波通信系统中[17]。
反激变换器：反激变换器是最为常用的单端隔离式DC/DC变换器之一，且通常作为多路输出机内电源拓扑。Gansystem公司在反激变换器中对使用GaN FET和Si MOSFET进行了对比研究。发现开关频率达到500kHz及以上时，使用GaN FET的变换器效率接近86%，比后者增加了3%[18]。
文献[19]展示了阈值电压为2.5V的大面积OG-FET，导通电阻仅为7.6mΩ/cm2[21]。目前电力电子市场上已经可以提供较多系列的GaN FET，如表1[19]所示。文献[20]开发了常关型垂直型台面栅GaN MOSFET，该器件阈值电压为3V，漏电流为55mA/mm[20]。


（2）氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT: High Electron Mobility Transistor）
GaN HEMT是GaN最受关注的器件，它是一种异质结场效应管，一般都采用了AlGaN和GaN的混合材料，这项应用的特点是GaN和AlGaN之间存在大的导带不连续性和极化场，因此会在AlGaN/GaN异质结中形成的2D电子气（2DEG），具有高电子迁移率值（1200-2000〖cm〗^2/V•s）的2DEG浓度，其导通电阻和击穿电压都有不错的性能，如图6所示[20]。
 

GaN HEMT非常适合高功率开关应用，在击穿电压方面具有突破性的性能优势（超过硅器件），并且结合了高速和低损耗开关性能，适合超高带宽的开关电源（在兆赫范围内）和蜂窝电话基站的微波功率器件。具体应用举例如下：
单相逆变器：文献[22]在单相逆变器（500W，50℃）中分别使用Si MOSFET和Cascode（高压共源共栅）GaN HEMT，后者在实际使用时会串联低压Si MOSFET，便于控制开关过程。其中Si MOSFET单管损耗约为4.2W，效率为96.6%，GaN HEMT单管总损耗为1.23W，效率约为99%，比前者提高了2.4%[22]，如图7所示。
 

SSPA（固态功率放大器）：文献[23]为纳米卫星GPS定位设计了GaN HEMT功率放大器，可在连续波中实现饱和输出功率49W，增益172dB，在1.575GHz时效率可达46.2%[23]。
此外，常规的AlGaN/GaN HEMT为耗尽型器件，使得器件在实际应用中必须加负压使得器件关断，系统的复杂程度增加，因此实现稳定的增强型器件是研究重点。凹栅结构和选择性生长P-N栅技术的提出使这一问题得到解决。目前击穿电压在20-600V范围内的常开和常闭GaN HEMTs已经实现商业化生产，EPC提供从40V/33A到200V/12A的常关GaN HEMT，表2展示了Qorvo公司的部分GaN HEMT[24]。


文献[25]基于蓝宝石衬底研制了极高电压（8.3kV），低导通电阻值（186mΩ•cm2）的GaN HEMT[25]，标志着该器件在高压领域的突破。文献[26]研制的混合MOS-HEMT结构结合了MOS栅极控制和2DEG在AlGaN/GaN漂移区的高迁移率的优点，为实现常关、低导通电阻、高阻断能力的GaN电源开关提供可能，如图8所示[26]。
 

    在实际应用中，GaN HEMT较大的栅漏电流会显著影响器件的功率特性以及稳定性。为了解决这一问题，研究者们在栅级下面引入一层很薄的介质,形成金属-绝缘层-半导体（MIS）结构，进而研制出GaN MIS-HEMT器件（Metal Insulating layer Semiconductor High Electron Mobility Transistor）。文献[27]采用SiN和TiO2作为绝缘栅介质研制出1700V和2000V的高压功率GaN MIS-HEMT[27]。文献[28]利用高绝缘、低缺陷的Al2O3栅介质，有效抑制GaN HEMT栅极漏电流，最终研制出阈值电压+1.6V，脉冲输出电流达1.13A/mm，关态功耗6×10-8W/mm的GaN增强型MIS-HEMT[28]。目前该类器件的研究重点是采用不同材料制成绝缘栅，得到更高性能的器件。如图9所示。
 


3 存在问题
作为第三代宽禁带半导体材料器件的代表之一，GaN器件在近几年的发展迅速，市场份额也有较大提升，不过其发展也受制于很多方面，除了和SiC器件具有相似的问题如封装、建模外，GaN器件最主要受制于本身的材料和工艺技术。
（1）材料生产：和SiC不同，GaN单晶生长技术还不成熟，在一定程度上阻碍了GaN功率器件的广泛应用。GaN材料大部分生长在Si、SiC、蓝宝石上，所以会受到其外延片结构的限制。基于Si基的GaN器件击穿电压多低于1200V，从而限制了GaN器件在更高工作电压领域内的应用。基于蓝宝石衬底的GaN器件，由于衬底较低的热传导系数而限制了其在大功率方面的应用。
（2）工艺技术：GaN工艺和材料缺陷导致临界击穿电场下降、衬底漏电等是GaN功率器件无法达到其材料理论极限的主要原因之一。此外增强型A1GaN/GaN HEMT制造工艺还不够完善，虽然目前理论研究已经有所突破，但距离大规模的商业应用还有一定距离。最后还缺乏高质量的绝缘栅生长技术和实用的掺杂技术。
（3）器件稳定性：目前对GaN器件的工作结温、失效机理、电流崩塌效应的理论研究不成熟，无法确保稳定的工作寿命，此外大功率GaN器件封装问题也有待解决。
（4）驱动器和控制器：GaN器件的驱动和控制可以参考Si、SiC器件，但也需要根据器件的不同特性和应用场合设计驱动保护和控制电路，Texas Instruments、Peregrine、On Semiconductor公司就根据其推出的产品设计了驱动和控制器，不过整体数量偏少。如表3所示[19]。

4 小结
GaN器件的提出较晚，但近年来的发展迅速。和同类型的SiC器件相比，GaN器件的产品类型不多，虽然GaN在理论上拥有优异的高频和高电压性能，但因其缺乏垂直器件和低热导率所需的优质衬底，使得SiC在高压器件中优势更为明显。目前GaN器件的研究方向主要集中在以下4个方面：提高击穿电压、实现增强型器件、抑制电流崩塌效应和新制造工艺，具有高耐压，高结温，高工作频率和高线性度等特点，早期其主要应用在低压LED管上，今后将在射频技术、微波通信等场合得到更多应用。
功率二极管中，GaN SBD分为三种结构：横向，垂直和台式（准垂直），其中台式结构结合了前两者的优势，应用最多，且该器件的损耗比同类Si、SiC器件都低。GaN PN及PiN二极管在雪崩电压、较高电流密度方面具有独特优势，但总体处于器件研发阶段。
功率开关包括GaN FET和HEMT，前者应用较多的是GaN MOSFET。GaN MOSFET分为平面导通性和垂直导通性，且不易受稳定性问题影响，比SiC MOSFET更具优势。在过去的十年里，在GaN异质结构上制造的HEMTs也取得了显着进步。较高的2DEG浓度和高电子迁移率值使它们非常适合高频开关应用。GaN HEMT结构本质上是常开型，但是常闭型HEMT制造也已实现。目前市场上销售的GaN HEMT已经达到600V，且混合MOS-HEMT结构也正在研发中，将用于低电阻，高电压GaN功率开关。而为解决GaN HEMT栅漏电流过大而提出的MIS-HEMT在最近几年也得到广泛的关注，研究的重点是使用不同的材料制成绝缘层。最后GaN智能功率技术也正在开发中，最后将形成单片集成高压功率器件和低压外围结构来实现感测、保护和控制。
在最新的研究中，GaN器件将广泛应用在5G通讯领域，GaN本身优异的特性，包括高功率密度、高功率附加效率（PAE）、高增益以及易于实施阻抗匹配，可提高RF链的整体效率。例如高通、英特尔等公司正在测试支持5G的调制解调器，例如在28GHz频段工作的X50调制解调器。Qorvo和NanoSemi已针对适用于大规模MIMO应用的GaN设备的超宽带线性化结果发布演示数据（如图10所示），GaN器件有望引领5G通信应用领域[24]。