NexGen Power Systems Inc. 正在使用GaN 襯底上的同質外延 GaN 制造垂直功率器件（垂直氮化鎵或垂直 GaN）。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工作，這將催生新一代更高效的功率器件。

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

GaN是一種寬帶隙材料，與硅相比，它允許器件在更高的溫度下工作并承受更高的電壓。此外，GaN 較高的介電擊穿率允許制造更薄的器件，因此可以制造更低電阻的器件。較低的特性 R DS（on）導致具有較低電容的較小器件。

在低缺陷密度塊體 GaN 襯底上生長低缺陷密度外延層的優勢在于，與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，它導致垂直功率器件在電壓和熱應力下具有更高的可靠性。

垂直 GaN 能夠在高擊穿電壓下工作（圖 1），這使垂直 GaN 能夠為要求最苛刻的應用供電，例如數據中心服務器、電動汽車、太陽能逆變器、電機和高速列車的電源。

圖 1：與 Si 和 SiC 相比的 GaN 材料特性（圖片：NextGen Power Systems）

傳統功率器件和橫向 GaN-on-Si

功率電子器件使用固態器件來處理或轉換電能。電源轉換器或適配器無處不在，有各種形狀和尺寸可供選擇。大多數稱為開關模式電源 （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不同電壓/電流配置的輸出（圖 2）。

圖 2：開關模式電源的框圖（圖片：NextGen Power Systems）

電容器、電感器和變壓器是無源且物理上較大的組件。為了減小 SMPS 的尺寸，它們必須在高頻下工作。為了在高頻下工作，他們需要更好的半導體開關，它可以克服現有硅基開關的限制，通常最高可達幾百千赫茲。

在過去的三十年里，MOSFET 和 IGBT 等硅器件一直主導著功率器件市場。最近，硅 MOSFET 只看到了性能提升。“硅已經達到了極限；基于硅功率器件的材料特性，您現在無法從根本上獲得任何收益，”Dinesh Ramanathan 說。

碳化硅 （SiC） 是硅的另一種替代品，但 GaN 通常具有更具吸引力的基本材料特性。

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，形成 GaN-on-Si 或 GaN-on-SiC 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 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）器件將材料與不匹配的熱膨脹系數 （CTE） 結合在一起，這會損害可靠性和性能。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容量。為了彌補這一點并提高載流能力，該器件必須做得更寬。更高的電壓和更高的電流要求的組合導致設備具有大面積，因此具有更高的電容。因此，

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的敏感性，GaN-on-Si HEMT 難以從頂部冷卻。將 Si 襯底與 GaN 層隔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 的電性能并影響可靠性，當 GaN 器件在 GaN 襯底上生長時，晶格和 CTE 當然是完美匹配的——它是同一種材料。 因此，可以在塊狀 GaN 襯底上外延生長非常厚的 GaN 層，從而制造出非常高電壓的器件。

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提高擊穿電壓和通過增加器件面積來降低 R DS（on） / 電流能力，從而有效地創建將擊穿電壓和電流能力解耦的 3D 器件。 R DS（on） ）。

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

圖 4：垂直 GaN 與 GaN-on-Si 器件結構（圖片：NextGen Power Systems）

圖 5顯示了增強型垂直 GaN 結場效應晶體管 （eJFET） 和 GaN-on-Si HEMT 的示意圖。NexGen Power Systems 表示，它能夠展示 》40 μm 的漂移厚度，生產擊穿電壓 》4，000 V 的二極管和電阻率為 2.8 mΩ/cm 2的晶體管。對于相同的電流能力，垂直 GaN 器件尺寸大約比 650-V GaN-on-Si HEMT 小 6 倍，但提供更大的 1，200 V 擊穿電壓。垂直 GaN eJFET 具有雪崩能力，可在以下情況下保護器件超過規定的擊穿電壓。

圖 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 的示意圖。虛線白線表示電子傳導路徑。（圖片：下一代電力系統）

垂直 GaN 器件用于通過漂移層傳導電流，該漂移層位于晶體管主體內部。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。柵源二極管的耗盡區延伸到溝道中，控制了漏極和源極之間的電流流動。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和溝道打開并導通。

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，熱量通過均質材料（無需額外層）從器件的頂部和底部 直接傳遞到封裝引線框架（圖 6 ）。

“這種器件的優勢在于它只有由 GaN 制成的 pn 結，”Ramanathan 說。“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，這是一種廣為人知的器件，由于它具有 pn 結，它會發生雪崩，因此不會發生破壞性擊穿。因為這一切都發生在設備的主體中，它可以在雪崩期間吸收相當多的能量，并且在事件發生后，設備恢復并正常運行。所以它有一個內置的安全機制，因此，它是一個更可靠、更強大的設備。”

圖 6：同質外延生長結構的優勢（圖片：NextGen Power System）

Figure 7： Driving NexGen’s vertical GaN eJFETs （Image： NextGen Power System）

NexGen 的 Vertical GaN 技術結合了器件的特性，這些特性以前被認為是不兼容的，因此是不可能實現的。汽車、消費電子、太陽能、電機和數據中心的功率轉換是人們可以體驗這項新技術潛力的主要應用。與其他開關器件相比，它在更高的開關頻率下提供更低的損耗和更好的雪崩魯棒性，并在成本上與硅器件有效競爭。

“從手機到筆記本電腦，電子設備變得越來越小，越來越便攜，”Ramanathan 說。“使用垂直 GaN，電源系統也可以小、輕、低成本和便攜。”

他繼續舉了一個特別引人注目的例子：“在數據中心機架中，為電源預留了一定數量的機架單元，將交流電轉換為直流電——我們將該電源的尺寸減小了 50%。讓我們看看一個 30 kW 的機架——需要 11 個機架單元用于供電，31 個提供計算服務。憑借我們更高的開關頻率，我們可以將電源尺寸從 11 個減少到 5 個機架單元，這意味著我們可以騰出 6 個機架單元來添加到計算機架。六個額外的計算機架意味著計算密度增加了 20%”。

垂直 GaN 允許您解決目前只能由多種技術提供服務的全系列電源轉換應用。