芯导科技GaN器件的发展与演进

在文章"提升开关频率（一） 芯导科技MOSFET工艺结构的发展与演进"中，我们介绍了芯导科技MOSFET产品针对高频需求的工艺发展路线。

但随着手机快充、适配器、新能源充电设备、激光雷达、航空航天等，对体积、工作效率和高温性能的要求进一步提升，传统硅MOS已经几乎接近物理极限，具有高频、耐高压、耐高温等诸多材料优势的第三代半导体（GaN、SiC）功率器件接棒领航，逐渐成为引领行业发展的主流技术。

针对高频应用需求，芯导科技利用P-GaN方案和Cascode方案的不同应用场景和优势，围绕提升开关频率为客户提供高效解决方案的理念，开发了一系列GaN HEMT产品，包含低压到高压（40V~700V）不同电压等级。

文章导读：

1、氮化镓GaN与碳化硅SiC的“抉择”

2、氮化镓GaN：革命性的材料

3、GaN外延技术发展趋势

4、GaN HEMT器件结构演进

5、GaN HEMT市场应用发展

氮化镓GaN与碳化硅SiC的“抉择”

电力电子高端产品的开发向来以 “极致要求” 为标尺，而在第三代半导体核心器件的技术选型环节，氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）两种方案的优劣取舍，往往让工程师陷入两难的决策困境。

如上图，横轴代表着工作频率，在百KHz以上，GaN材料将越发表现出其巨大潜力，因而在高频应用领域，更加推荐采用GaN方案；纵轴代表着开关功率，在10KW+级别，SiC材料将更容易发挥其耐高压耐高温的大功率应用优势。因而可以笼统的讲：氮化镓胜在高频应用，碳化硅胜在大功率应用。

然而在实际情况中，不可忽视的，GaN/SiC两种不同的材料在应用领域，存在着明显的交叉区域（Competition Zone）。那么面临实际应用需求，可以进一步如下进行考量： 

（不同应用要求对GaN和SiC选择）

因此针对高频应用的核心需求，氮化镓（GaN）方案显然更为合适：其天生的高频工作优势，既能降低系统的能量损耗，又能简化电路设计，在高频场景下的表现远超传统硅基方案，也比碳化硅（SiC）方案更具适配性。

氮化镓GaN：革命性的材料

GaN材料主要具有三大优势：

耐高温：宽禁带GaN材料（3.39eV）的禁带宽度是Si材料（1.12eV）的三倍，有助于实现更高工作温度(>175℃)，极大拓展了高温应用领域。

耐高压：GaN材料击穿场强（3.3MV/cm）是Si材料（0.3MV/cm）的11倍，使得相同目标的耐压情况下，GaN器件尺寸远远小于Si MOS，促使器件小型化的实现。

高频优势：AlGaN/GaN异质结结构形成的二维电子气（2DEG）的电子迁移率可以高达2000 cm2/V*s， 是Si材料的1.4倍以上。同时GaN材料饱和电子速率也是Si材料的2.5倍。可以实现更快的载流子输运能力，支撑更高频率的开关性能要求（>500KHz）。

（材料参数对比）

通过利用GaN器件提升开关工作频率，减小电容电感等物料应用，从而缩小整体方案体积，提升功率密度和效率，有效降低整体方案的成本，为终端客户创造价值。

GaN外延技术发展趋势

由于GaN材料的单晶生长难度较高，通常情况下，业界GaN外延通常采用成熟的异质衬底材料（如Si/SiC/Sapphire/SOI/QST等）。考虑到成本和产业链上下游成熟度问题，硅Si基氮化镓、蓝宝石Sapphire基氮化镓产品已陆续在功率器件领域落地商业化。

（几种GaN衬底材料的主要特性对比）

在不久的将来，随着SiC衬底价格的进一步优化，碳化硅SiC基氮化镓功率器件将成为可能。SiC与GaN材料具有良好的晶格失配率、热失配率、热传导率，因而碳化硅SiC基氮化镓外延缺陷密度小、散热优势明显，有助于大幅度提升GaN器件的应用可靠性，兼容SiC的大功率优势和GaN的高频优势，进一步扩大GaN器件的市场规模。

GaN HEMT器件结构演进

由于AlGaN/GaN两种材料所发生的自发极化和压电极化，使得GaN沟道内部大量的电子在极化作用下聚集到AlGaN/GaN界面处，形成二维电子气（Two Dimensional Electron Gas，2DEG），并由此表现出非常优异的电子迁移率，在此基础上所形成的GaN器件被称作高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT），即GaN HEMT。

GaN HEMT为平面型器件结构，但由于2DEG较高的电子迁移率，使得 650V GaN HEMT器件比导通电阻Rsp可以达到目前SJ-MOS（Super Junction MOSFET）1/3水平甚至更低，具有明显的产品小型化优势，即成本优势。且GaN HEMT器件可以支持MHz开关频率，远远超过目前Si基MOS的开关频率上限。

GaN HEMT 器件结构

如上GaN HEMT器件结构，在Gate栅极不施加影响情况下，GaN沟道内部特别是2DEG是相通的，器件处于常开状态，即学术上称为D-mode（耗尽型，Depletion-mode，器件处于常开状态）。只有在Gate栅极加负压（-20V）才能在电场作用下，使得栅极下方的2DEG及GaN沟道内部电子被“耗尽”，从而使得器件关断。

这种一般情况下处于常开状态，需要在栅极加负压进行关断的器件，并不适用于现在的应用拓扑电路结构。因而业界通常在D-mode基础上进行改良，使得器件被优化成常关型器件，即E-mode（增强型，Enhancement-mode，器件处于常关状态）。

E-mode GaN HEMT器件方案

学术界开发E-mode方案多种多样，然而截至目前商业化较为成功的E-mode方案是Gascode方案和P-GaN方案。

对比Cascode方案和P-GaN方案在多个方面各有优缺：

（GaN方案对比）

GaN Cascode方案：

将一颗30V MOS与D-mode GaN HEMT器件进行级联模式相连，使得两颗器件形成一个整体，通过控制30V MOS的栅极G进行控制整体的开关，使得Cascode整体是个常关型器件。如下图（右），两颗器件（GaN和MOS）通过封装打线等形式连接起来形成cascode整体，包含源漏栅管脚。

Cascode级联方案（左）和打线示意图（右）

GaN Cascode方案优势：

在工作电压Vgs范围与普通MOS兼容，因而不需要特殊的驱动处理，可以直接替代现有的SJ-MOS方案。且高阈值Vth=4V的开发，使得器件使用中避免尖峰电压和串扰等因素影响，更具可靠性。但是由于级联低压MOS开关频率受限，因而很难发挥高频（MHz）优势。

芯导科技Cascode GaN HEMT主推型号

GaN P-GaN方案：

在GaN外延环节，引入P-GaN帽层结构，使得器件栅极Gate下方形成P-GaN/AlGaN/GaN结构，通过空穴-电子对作用“消耗”栅极Gate下方的电子，从而使得器件在栅极下方处于关断状态，即常关型器件。通过引入场板结构（Field plate，FP）来平衡电场分布，进一步优化器件性能，如下图。

P-GaN方案

P-GaN方案优势：

能够充分发挥GaN高频优势（>MHz），且其优异的FOM值表现，也代表着器件较低的开关功耗和导通损耗，然而其工作电压Vgs受限（~10V~7V）因而需要特殊处理的驱动IC进行匹配，才能充分发挥其优势。

芯导科技P-GaN GaN HEMT主推型号

GaN HEMT市场应用发展

GaN HEMT功率器件的应用核心围绕高频、高效、小型化、轻量化展开，消费电子是当前基本盘，新能源汽车是最大增长极，通信、储能、工业是核心支撑，航天是高端壁垒，已成为第三代半导体中商业化速度最快、应用场景最广的核心器件。

消费类：包含PD快充、适配器、手机、Pad、笔记本电脑等消费类电子产品应用，发挥GaN器件小型化和高频优势，解决了应用方案“大功率化”和“小型化”的核心矛盾点。

家电类：覆盖烘干机、电视、冰箱、洗衣机、空调等家用电器应用场景，能够降低功耗，提升能效等级，同时实现系统成本优化。

工业机器人：激光雷达、工业电机等领域，得益于GaN提升开关频率和器件小型化的优势，为机器人产业打造更高效、更紧凑的设计方案。

AI数据中心：围绕服务器电源PSU，CPU/GPU供电模块等，提升供电架构的转换效率。AI 数据中心所需的计算能力和能源需求快速增长，将推动对能够处理与AI 服务器相关的大量负载的先进解决方案的需求。曾经3.3 kW 的电源现在正在向 5.5 kW 发展，预计每台电源将达到 12 kW 或更高。通过GaN的应用，AI 数据中心可以提高功率密度，这直接影响给定机架空间内可提供的计算能力。

新能源汽车：在车载电源、驱动系统、充电系统三大板块， 充分发挥GaN器件优势，有助于提高充电效率、功率密度，与高端SiC解决方案相结合，达到高效化、小型化、轻量化的方案要求，实现车企降本增效的目标。

航空航天：GaN HEMT耐高温、抗辐射、耐高低温、高频小型化、轻量化特性，完美适配航空航天的严苛工况，是特种电子设备的核心器件。

综上所述，从高性能MOSFET到第三代半导体GaN器件，芯导科技不断攀登技术高峰，打造一系列适合高频应用的半导体产品，为客户提供产品与服务保障。

企业介绍

芯导科技(Prisemi)专注于高品质、高性能的模拟集成电路和功率器件的开发及销售，总部位于上海市张江科学城。

公司于2009年成立，至今已获国家级专精特新“小巨人”企业、“上市公司金牛奖”、“上市公司金质量奖”、“功率半导体领军企业”、“上海市规划布局内重点集成电路企业”、“高新技术企业”、“上海市科技小巨人企业”等荣誉资质，并已拥有百余项知识产权。公司已在上海证券交易所科创板上市，股票简称"芯导科技"，股票代码为688230.SH。

芯导科技专注于功率IC（锂电池充电管理 IC、OVP过压保护 IC、音频功率放大器、GaN 驱动与控制IC、DC/DC电源IC等）以及功率器件（ESD、EOS/TVS、MOSFET、GaN HEMT、SiC MOS、SiC SBD、IGBT等）的开发及应用。公司在深耕国内市场的同时，积极拓展海外市场，目前产品已远销欧美日韩及东南亚等国家与地区，可应用于移动终端、网络通信、安防工控、电源、储能、汽车电子、光伏逆变器等领域。