GaN 功率器件，E-模式 HEMT技术选择介绍和发展情况

[导读]最流行的 e-mode HEMT 结构是在栅极上使用 p-GaN 层。实现的典型 Vt 在 1-2 V 范围内。HEMT 在开关应用中的固有优势得以保留，并且开关损耗可以更低。e-mode 器件的主要缺点之一是其低 Vt，这可能导致栅极对噪声和 dV/dt 瞬态的抗扰度较差。出于可靠性原因，最大栅极电压通常限制为 6-7 V，并且可能需要负电压来关闭器件。

最流行的 e-mode HEMT 结构是在栅极上使用 p-GaN 层。实现的典型 Vt 在 1-2 V 范围内。HEMT 在开关应用中的固有优势得以保留，并且开关损耗可以更低。e-mode 器件的主要缺点之一是其低 Vt，这可能导致栅极对噪声和 dV/dt 瞬态的抗扰度较差。出于可靠性原因，最大栅极电压通常限制为 6-7 V，并且可能需要负电压来关闭器件。封装和栅极电阻 (Rg) 的选择对于确保安全和稳健的器件运行变得更加重要。低栅极电感 (Lg) 和共源电感 (Lcs) 确保过冲和振铃控制，以防止错误的器件开启。可能需要有源米勒钳位以及与源极的开尔文连接以改进栅极电压控制。硬开关应用中的死区时间损失也很大，尤其是在负栅极电压条件下，由于缺少续流二极管导致的反向源漏 (Vsd) 电压较高。

多家公司提供 e-mode GaN 产品，例如 Navitas、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Power International、GaN Systems、英飞凌、Innoscience、Cambridge GaN Devices、Rohm、意法半导体和 Wise Integrations。鉴于上述栅极驱动的限制，许多人选择了更集成的方法，我们将在下面讨论。

栅极驱动鲁棒性

Cambridge GaN Devices (CGD) 创造了一种集成了栅极驱动电平转换器的单片芯片。有效 Vt 增加到 3 V，使其与现成的栅极驱动器兼容。该集成包括用于高 dV/dt 操作的米勒钳位。集成的 Kelvin 和源电流检测无需额外的源电阻即可实现栅极监控和控制，从而允许将低侧 FET 源极焊盘直接接合到接地层以改善冷却效果。

单片全GaN集成

Navitas 通过将栅极驱动和保护电路集成到单个芯片中的工艺进一步实现了集成。

电感 Lcs 和 Lg 降低，从而避免了栅极过冲和快速的栅极关断时间，从而大大降低了关断损耗。集成了电流检测以及压摆率控制，以优化硬开关事件期间的开启，从而最大限度地降低 EMI。过温 (OTP) 和过流 (OCP) 等保护功能提高了鲁棒性。

手机和笔记本电脑等消费类快速充电器应用在消费类快速充电器市场(约 20 至 300 W)的整个 GaN 市场中占有主导地位。其他应用包括激光雷达、照明、电机驱动和电信电源。

封装创新是具有上述限制的电子模式设备的关键。这方面的一个例子所示的 GaN Systems 的 GaNpx 封装。这是一种无引线键合嵌入式封装，它利用通孔铜通孔实现低热阻和低电感封装。他们的 GS66516T 产品的结壳热阻仅为 0.27 K/W，与传统的 TO-247 封装相比毫不逊色。数据中心电源的高功率密度超过 80 W/in 3 已得到证实。

垂直GaN FET

横向 GaN HEMT 主要专注于 < 800 V 的应用空间。采用 Si 或碳化硅 (SiC) 制成的垂直功率器件在 > 700 V 应用空间中占据主导地位。最近人们对在 GaN 衬底上制造的 GaN 垂直器件产生了兴趣，以克服横向器件的一些高电压限制。Nexgen Power Systems 和 Odyssey Semi 是两家致力于此类设备的公司。

“垂直 GaN 对功率器件很有意义。Si 和 SiC 大功率器件是垂直的，其优点是 BV 由外延特性决定，而不是由横向芯片尺寸决定。垂直电流有助于热传导，提供更低的 Rds on并且本质上更可靠。垂直 GaN 在 SiC 目前所追求的电压下提供了 GaN 的宝贵开关特性，”Odyssey Semi 首席执行官 Mark Davidson 说。

Davidson 解释说：“当由于芯片尺寸变得太大而需要额定电压高于 900 V 时，横向 GaN on Si 功率器件具有实际限制。我们将我们的垂直 GaN FET 与 1200 V 横向电压进行了比较——对于相同的 Rdson，横向 GaN FET 裸片尺寸是我们垂直的 5 倍。与 SiC 相比，材料在迁移率和更高临界领域的优势在特定导通电阻方面提供了 10 倍的优势。如图 8 所示，这使得在 4 英寸 GaN 晶圆上制造的垂直 GaN 裸片比在 6 英寸晶圆上制造的 SiC 裸片具有成本优势，同时还提供了显着的性能优势。”

“Odyssey 已经验证了我们生产 1200 V 垂直 GaN 器件的方法，下一步的重点是可重复性、良率和客户反馈。我们在纽约自己的晶圆厂快速学习，快速创新。我们已经看到汽车和其他客户的浓厚兴趣，他们将垂直 GaN 视为提高效率和功率密度的重要下一步”，Davidson 指出。

氮化镓供应链

来自 Yole Group 的 2022 年功率 GaN 报告，其中对销售 GaN 功率产品的公司及其制造供应链进行了细分。只有 TI、Transphorm 和 Innoscience 等少数公司拥有包括设计、外延和器件加工在内的垂直整合制造能力。Nexperia 等其他公司拥有自己的 Fab，但依赖外部外延供应商。使用台积电、三安集成电路和 Episil 等代工厂的 Fabless 公司包括 CGD、Navitas、GaN Systems、EPC 和 Wise Integration。垂直 GaN 公司 Nexgen 和 Odyssey 都有自己的 Fab。