GaN 是一種高帶隙材料，與硅相比，它允許器件在更高的溫度下運行并承受更高的電壓。此外，GaN 更高的介電擊穿允許構建更薄且因此電阻更低的器件。較低的特性 R DS(on)導致具有較低電容的較小器件。垂直 GaN 器件能夠以更高的頻率進行開關并在更高的電壓下運行。

“垂直 GaN ?器件比硅小 90%。電容與器件的面積直接相關。器件越小，電容越低。電容越低，開關頻率越高。NexGen Power Systems Inc. 首席執行官兼聯合創始人 Dinesh Ramanathan 表示，在大多數典型應用中，垂直 GaN ? 的開關損耗比 Si MOSFET 低 67%，尤其是電源。

與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，在低缺陷密度體 GaN 襯底上生長的低缺陷密度外延層允許實現在電壓和熱應力下具有更高可靠性的垂直功率器件。

Vertical GaN ?能夠在高擊穿電壓下運行（圖 1），這使 Vertical GaN? 能夠為最苛刻的應用供電，如數據中心服務器電源、電動汽車、太陽能逆變器、電機和高速列車。

圖 1：GaN 材料特性與 Si 和 SiC 的比較 [圖片：NextGen Power Systems]

傳統功率器件和橫向 GaN-on-Si

電力電子設備使用固態設備來處理或轉換電力。電源轉換器或適配器無處不在，并且有各種形狀和尺寸。

大多數稱為開關電源 (SMPS) 的轉換器使用電容器、電感器、變壓器和半導體開關將功率從具有給定電壓和電流的輸入傳輸到具有不同電壓/電流配置的輸出（圖 2）。

圖 2：開關模式電源框圖 [圖片：NextGen Power Systems]

電容器、電感器和變壓器是無源且體積較大的組件。為了減小 SMPS 的尺寸，它們必須在高頻下運行。為了在高頻下工作，他們需要更好的半導體開關，以克服現有硅基開關的局限性，這些開關只能在高達幾百 kHz 的頻率下工作。

在過去的三年中，MOSFET 和 IGBT 等硅器件主導了功率器件市場。具體來說，硅基功率 MOSFET 已經達到了它們的技術極限，只是增加了額外的性能提升。“硅已經達到極限。根據其材料特性，目前您無法從硅功率器件中獲得任何根本收益，”Dinesh Ramanathan 說。

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等替代材料為實現新一代功率器件以克服硅的局限性提供了可能性。其中，對基于 GaN 的功率器件開發的興趣特別強烈，因為與 Si 和 SiC 相比，GaN 的材料特性更好。

當前的 GaN 器件是在混合襯底上制造的：硅或碳化硅上的 GaN 薄層創建 GaN-on-Si 或 GaN-on-SiC HEMT（高電子遷移率晶體管）結構（圖 3）。

圖 3：GaN-on-Si HEMT 結構的代表性示意圖 [圖片：NexGen Power Systems]

橫向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件結合了熱膨脹系數 (CTE) 不匹配的材料，導致可靠性和性能缺乏。此外，在典型的 GaN HEMT 器件中，通道非常靠近表面（大約幾百納米），這會產生鈍化和冷卻問題。在橫向 GaN-on-Si 器件中，漏源分離決定了器件的擊穿電壓。較大的漏源分離會增加溝道電阻并限制電流能力。為了彌補這一點并增加載流能力，必須將器件做得更寬。更高電壓和更高電流要求的組合導致器件具有大面積并因此具有更高的電容。因此，橫向器件僅限于大約 650 V 的擊穿電壓。

雪崩擊穿是 Si 和 SiC 器件在短期過壓條件下保護自身的關鍵特性。橫向 GaN-on-Si HEMT 中沒有 pn 結可防止這些器件發生雪崩擊穿。此外，由于靠近器件表面的電流傳導敏感性，GaN-on-Si HEMT 難以從頂部冷卻。將 Si 襯底與 GaN 層分開的緩沖層限制了底部冷卻的效率。這意味著通常必須創建定制封裝來冷卻 GaN-on-Si HEMT，從而進一步增加其成本。

垂直 GaN 功率器件

GaN 和 Si 或 SiC 之間的晶格失配會降低 GaN 的電氣特性并影響可靠性。對于在 GaN 襯底上生長的 GaN 器件，晶格和 CTE 都完美匹配——它是相同的材料。因此，可以在塊狀 GaN 襯底上外延生長非常厚的 GaN 層，從而可以創建非常高壓的器件。

垂直 GaN ?技術釋放了 GaN 卓越材料特性的全部潛力，因為它基于在 GaN 襯底上同質外延生長的 GaN（圖 4）。此外，垂直 GaN 器件使用所有三個空間維度：通過增加漂移層的厚度來獲得更高的擊穿電壓，通過增加器件面積來降低 R DS(on) / 電流能力，從而有效地創建了一個將擊穿電壓和電流解耦的 3-D 器件能力（R DS(on)）。

“交流系統需要能夠顯著降低諧波失真的高性能功率因數校正電路。垂直 GaN 的高開關頻率支持新的控制算法，并以更小的實施和更高的效率提供所有這些”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 4：垂直 GaN 與 GaN-on-Si 器件結構 [圖片：下一代電源系統]

圖 5 顯示了增強型垂直 GaN 結場效應晶體管 (eJFET) 和 GaN-on-Si 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的示意圖。在垂直 GaN 的情況下，襯底和外延層都是具有極低缺陷密度的 GaN。NexGen Power Systems 表示，它能夠展示 >40μm 的漂移厚度，產生擊穿電壓 >4000V 的二極管和電阻率為 2.8mΩ.cm 2 的晶體管。對于相同的電流容量，Vertical GaN ?器件尺寸大約比 650V GaN-on-Si HEMT 小六倍，但提供更高的 1200V 擊穿電壓。垂直 GaN ? eJFET 具有雪崩能力，可在超過指定擊穿電壓時保護器件。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 示意圖。白色虛線表示電子傳導路徑 [圖片：下一代電力系統]

垂直 GaN ?器件旨在通過漂移層傳導電流，漂移層位于晶體管的主體內部。因此，不存在由表面界面雜質捕獲的電荷產生的動態 R DS (on) 變化的機制。柵極-源極二極管的耗盡區延伸到溝道中控制著漏極和源極之間的電流。在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化的柵源二極管發生，隨后導致雪崩電流增加柵源電壓，并使溝道打開并導通。

由于輸出電容小，應用中的開關損耗非常小。與橫向 GaN 器件相比，熱量最佳地通過同質材料從器件的頂部和底部直接傳遞到封裝引線框架（圖 6），無需附加層。

“該器件的優勢在于它只是由 GaN 制成的 pn 結。我們沒有二維電子氣和復雜的材料層。我們有一個增強型 JFET，它是一種廣為人知的器件，并且因為它具有 pn 結，所以它會雪崩，因此您沒有破壞性擊穿。因為這一切都發生在設備的主體中，所以它可以在雪崩期間吸收相當多的能量，并且在雪崩之后設備恢復并正常運行。因此，它具有內置的安全機制。因此，它是一種更可靠、更堅固的設備”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 示意圖。白色虛線表示電子傳導路徑 [圖片：下一代電力系統]

在電源電路中使用垂直 GaN

NexGen Vertical GaN? FET 是一種結型場效應晶體管 (JFET)，與硅邏輯器件中使用的 FinFET 相似。

柵極和源極之間的電壓差 (V GS ) 控制著漏極和源極之間的電流。當 V GS低于閾值電壓 (V t ) 時，JFET 通道關閉。當V GS大于V t 時，溝道打開，電流可以在源極和漏極之間流動。該電流在設備的主體內流動。電子遷移率很高，并且與 pn 結的較小電容一起，產生具有非常小的輸出 (C oss ) 電容的器件。這使得器件能夠在高頻下高效運行，并支持開關頻率高于 1MHz 的應用。

JFET 的對稱結構允許源極和漏極交換功能，如果漏極端電壓低于源極端電壓，則溝道電流可以反向流動。這類似于 Si MOSFET 中體二極管的功能，但沒有少數載流子/反向恢復電荷去除引起的損耗和潛在的可靠性問題。

“NexGen 的垂直 GaN eJFET 可以由成熟且具有成本效益的標準低成本 Si MOSFET 驅動器（圖 7）驅動，只需對現有設計進行少量修改。這有助于快速采用具有卓越性能的設備”，Dinesh Ramanathan 說。

圖 7：驅動 NexGen 的垂直 GaN eJFET [圖片：下一代電源系統]

審核編輯：劉清