在過去幾年中，氮化鎵 (GaN) 在用于各種高功率應用的半導體技術中顯示出巨大的潛力。與硅基半導體器件相比，氮化鎵是一種物理上堅硬且穩(wěn)定的寬帶隙 (WBG) 半導體，具有更快的開關速度、更高的擊穿強度和高導熱性。

氮化鎵晶體可以在多種襯底上生長，如藍寶石、碳化硅 (SiC)、硅 (Si) 等。為了在硅上實現(xiàn)這種生長，仍然可以使用現(xiàn)有的制造基礎設施，從而無需昂貴的生產(chǎn)場地并以低成本利用現(xiàn)成的大直徑硅晶片。

GaN-on-Si具有廣泛的未來應用，擴展了當前的 HEMT 能力，提高了 1kW 以上的功率水平。該技術可幫助設計人員提高工作電壓并將頻率響應推至 Ka 波段以外的 E 波段、W 波段和太赫茲空間。這篇論文由香港科技大學電子與計算機技術系的一組研究人員提交。

GaN-on-Si Cascode 配置（600V 級）

圖 1：升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

上圖顯示了具有升壓轉(zhuǎn)換器和快速二極管的 600V 級 GaN on Si 器件的應用。開關器件 Q1 和升壓二極管 D1 顯示在電路中，伴隨輸入和輸出電容器 C1 和 C2 以增強電壓穩(wěn)定性。當 Q1 處于導通狀態(tài)時，輸入電壓施加在 L1 上。當 Q1 處于關斷狀態(tài)時，二極管 D1 將存儲的能量釋放到輸出端。有兩種工作模式——連續(xù)導通模式和非連續(xù)導通模式。在連續(xù)導通模式下，電感電流保持在零以上，在非連續(xù)導通模式下，電感完全釋放其儲存的能量。

具有高/低側(cè)晶體管的橋式電路

圖 2：半橋開關電路原理圖

上圖中，Q1 和 Q2 都是 GaN Cascode 器件。當柵極處于關閉狀態(tài)時，每個器件都能夠阻斷反向傳導電壓。當柵極處于導通狀態(tài)時，相應的器件提供正向和反向?qū)щ娦裕妷航底钚　Ｈ绻陂_關節(jié)點U與直流或低頻中間電位W之間增加電感L，則半橋可布置為升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或直流-交流逆變器。為了提高性能，使用升壓轉(zhuǎn)換器進行了一項測試，該轉(zhuǎn)換器使用 600 V/52-m GaN 級聯(lián)開關和 650 V/43 m 最先進的 Si SJ MOSFET，針對低 Q 進行了優(yōu)化。在進行實驗時，它觀察到所有電路元件都是相同的，除了開關設備。

GaN-on-Si 器件的未來

它是否支持重要的新應用程序？

Si 上的 GaN 能夠在簡單的空間硬控制模式下以高頻率和高功率水平運行。這在運行期間提供了低損耗，這對于未來幾年的功率轉(zhuǎn)換至關重要，并且還將影響伺服電機驅(qū)動器、緊湊型 EV 充電器等應用。目前，GaN-on-Si 用于衛(wèi)星、用于自動駕駛汽車的激光雷達、增強現(xiàn)實系統(tǒng)、機器人技術等。 GaN 晶體管和 IC 可在商業(yè)上獲得，并且比類似的最先進的硅器件快 5 到 50 倍。

這個容易用嗎？

除了性能之外，GaN 晶體管的性能與當今可用的其他傳統(tǒng)功率 MOSFET 的性能非常相似。這使得電力系統(tǒng)工程師和其他技術人員可以更輕松地設計電路，而無需額外培訓。但需要特別注意電路中的任何寄生感應。

由于 GaN 器件更小，它們需要與計算機和電信設備中使用的相同的更嚴格的裝配公差。該技術已被證明可以順利集成到為硅 MOSFET 設計的基礎設施中，一旦設計和制造專業(yè)人員更加熟悉更小、更高效的 GaN 器件。

是否劃算？

GaN晶體管的制造過程與硅功率MOSFET的制造非常相似。GaN 器件比硅器件小得多。因此，一次制造了更多的設備。此外，GaN 晶體管是低壓晶體管 (<500V)，不需要像硅 MOSFET 那樣昂貴的封裝。未來幾年，隨著對 GaN 技術的研究將完成，設計工程師可以預期價格會進一步下降，從而使這些系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的硅基器件具有越來越大的市場優(yōu)勢。

它可靠嗎？

截至今天，幾家 GaN 晶體管制造商在內(nèi)部壓力測試和性能體驗中報告了出色的結(jié)果。除此之外，還有大量的 GaN 晶體管在實際地面應用中經(jīng)歷了數(shù)十億小時的累積，證明了與硅 MOSFET 相比具有更高的現(xiàn)場可靠性。

結(jié)論

研究人員總結(jié)說：“GaN-on-Si 器件技術在導通電阻、開關速度、熱性能、芯片尺寸和成本方面表現(xiàn)出令人印象深刻的性能。“GaN功率半導體的快速發(fā)展將導致電力電子子系統(tǒng)的進一步小型化。”

　　審核編輯：湯梓紅