功率GaN的多种技术路线简析

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）功率GaN的大规模应用，其实也只有六七年的历史，从2018手机快速充电器上才正式吹响了普及的号角。目前，从晶体管来看，功率GaN主要的产品是HEMT（高电子迁移率晶体管）。另一方面，功率GaN的技术路线从不同的层面看还有非常丰富的种类。
 
器件模式
 
功率GaN FET目前有两种主流方向，包括增强型E-Mode和耗尽型D-Mode。其中增强型GaN FET是单芯片常关器件，而耗尽型GaN FET是双芯片常关器件（共源共栅Cascode结构）。
 
E-Mode的GaN器件在没有施加门极电压时，器件处于关断状态，需要施加正向门极电压来打开器件。这种器件具有较好的开关特性，适用于高频率、高效率的应用，例如DC-DC变换器、LED驱动器等。不过E-Mode GaN器件的栅极可能存在稳定性和漏电流的问题，可能会影响器件的可靠性和性能。
 

Mode的GaN器件在没有施加门极电压时，器件处于导通状态，需要施加负向门极电压来关闭器件。这种器件具有较好的线性特性和较低的开关损耗，适用于一些需要高精度控制和低噪声的应用，比如音频放大器、射频功率放大器等。而由于D-Mode GaN器件采用了Cascode结构，可靠性更高，在高功率、高电压、大电流应用中，这种器件适用性更高，比如在电动汽车、工业等应用上。但另一方面D-Mode的封装复杂度会增加，开关频率也因此受到限制。

 
从主要的玩家来看，英飞凌（以及刚收购的GaN Systems）、EPC、英诺赛科、纳微半导体、松下、量芯微等主要是走E-Mode路线；而Transphorm、PI、TI、安世、镓未来、华润微（润新微）等主要走D-Mode路线。
 
外延衬底材料
 
因为GaN衬底制备难度大，价格高昂，因此目前GaN一般都是在异质衬底上进行外延，再在外延片上制作器件。功率GaN器件的衬底主要有SiC、Si、蓝宝石这三种，其中GaN on SiC主要在射频领域用于功率放大器，GaN on Sapphire则主要用于LED领域。
 
而电源领域的GaN开关器件主要是Si和蓝宝石衬底。在GaN功率开关产品上，大多数厂商都是基于Si衬底制造的，这是因为Si衬底价格较低，且能够与现有硅晶圆产业链很好地兼容。
 
目前业内大规模出货GaN on Sapphire 功率GaN器件的厂商主要是Transphorm，去年Transphorm推出了业界首款1200 V GaN-on-Sapphire器件仿真模型，这也是业界唯一一款1200 V GaN-on-Sapphire功率器件。
 
另外国内致能科技也在近期成功在6英寸蓝宝石衬底上实现了1700V GaN HEMTs器件，并在IEEE Electron Device Letters期刊发表相关研究成果。
 
平面型和垂直型
 
垂直GaN中“垂直”是指器件的结构，简单可以理解为器件中阳极和阴极相对的位置，目前大多数硅基GaN器件是平面型结构，即阳极和阴极处于芯片同一平面上，导通电流在器件中横向流动；而垂直型GaN一般是基于GaN衬底，GaN衬底底面为阴极，阳极则位于上方，导通电流是竖向流动。
 
相比横向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN衬底同质外延层，具有更低的位错密度，器件可靠性高，性能也更高。而具体到器件上，GaN二极管和晶体管都能采用垂直结构。
 
由于器件结构上的优势，在相同的器件面积下，可以通过增加位于晶体管内部的漂移层（用于传导电流）的厚度，来提高电压等级，能够用于更高电压的应用中；同时，电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度。
 
另外，垂直结构能够更容易产生雪崩效应，在超过击穿电压的情况下，雪崩最初通过反向极化栅源二极管发生，随后导致雪崩电流增加栅源电压并且沟道打开并导通。这是一种设备自我保护的重要属性，如果器件两端电压或导通的电流出现峰值，拥有雪崩特性的器件就可以吸收这些电涌并保持正常运行，在工业领域有很大的应用空间。
 
目前，业内在垂直GaN器件上商业落地进展最快的大概是美国Odyssey 公司，该公司在去年第一季度宣布已经向客户提供样品，而最快在2023年第四季度之前还将会提供更多样品。