物理結(jié)構(gòu)
與傳統(tǒng)的基于藍(lán)寶石晶片的氮化鎵器件相比，硅基氮化鎵器件顯著降低了器件制造成本，這為實(shí)現(xiàn)氮化鎵功率半導(dǎo)體器件的大規(guī)模應(yīng)用的鋪平了道路。圖 1顯示了 GaN 晶體管的典型物理結(jié)構(gòu)，在 AlGaN 層和 GaN 層的邊界形成了具有高遷移率的二維電子氣 （2DEG）高導(dǎo)電通道。相比于依靠少數(shù)載流子（松散地被束縛在硅晶格中）傳導(dǎo)的硅晶體管，GaN 晶體管中的 2DEG 溝道表現(xiàn)出更高電子密度和電子遷移率，適用于大電流和大功率的應(yīng)用。根據(jù)柵極結(jié)構(gòu)和材料以及柵極摻雜帶來的開通閾值電壓的不同，現(xiàn)有技術(shù)的 GaN 晶體管主要有兩大類：耗盡型 GaN 晶體管和增強(qiáng)型 GaN 晶體管。
圖 1 GaN晶體管的物理結(jié)構(gòu)
耗盡型 GaN 晶體管的物理結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。在正常開關(guān)工作狀態(tài)下，如圖 2(a) 所示，由于 GaN 晶體的固有特性和耗盡型柵極材料，柵極偏置電壓為零時，耗盡型GaN晶體管處于自然導(dǎo)通狀態(tài)。而關(guān)閉耗盡型 GaN 器件需要在柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加負(fù)偏置電壓VGS。當(dāng) VGS 低于 GaN 晶體管的開啟閾值 VTH, D (VGS<VTH, D) 時，導(dǎo)電溝道被切斷，晶體管關(guān)閉，如圖 2.2(b) 所示。在此期間，漏源電壓（VDS）可以維持非常高的擊穿電壓。然而，對于耗盡型 GaN 晶體管，需要負(fù)柵極驅(qū)動電壓VGS來關(guān)閉晶體管，這使得 GaN 柵極驅(qū)動電路的設(shè)計變得更加復(fù)雜。
圖 2 耗盡型 GaN 晶體管 (a) 常開狀態(tài)，(b) 關(guān)斷狀態(tài)
圖 3 增強(qiáng)型 GaN 晶體管，(a) 常關(guān)狀態(tài)，(b) 導(dǎo)通狀態(tài)
為了緩解驅(qū)動的問題，科學(xué)家發(fā)明了增強(qiáng)型 GaN 晶體管，它不需要負(fù)柵極電壓來關(guān)閉晶體管而只需要零電壓，因此簡化了柵極驅(qū)動電路的設(shè)計。圖 3 顯示了增強(qiáng)型 GaN 晶體管的物理結(jié)構(gòu)。如圖 3(a) 所示，在柵極偏置電壓為零時，GaN晶體管導(dǎo)電溝道保持關(guān)斷狀態(tài)，而不是耗盡型 GaN 晶體管的常開狀態(tài)。為了能開通 GaN 晶體管，需要施加正的柵極偏置電壓 VGS，將電子吸引到 AlGaN 和 GaN 的邊界以形成高遷移率導(dǎo)電溝道，從而實(shí)現(xiàn)了一個正的開啟閾值電壓（典型值約為1.7V）。當(dāng) VGS 高于開啟閾值電壓 (VGS>VTH, E) 時，增強(qiáng)型 GaN 晶體管開通，如圖 3(b) 所示。此外，為了防止 GaN 晶體管發(fā)生破壞性柵極擊穿，施加的最大柵極電壓需要進(jìn)行鉗位，元芯半導(dǎo)體提供了獨(dú)有的專利鉗位和保護(hù)技術(shù)，極大的提高了器件和系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
GaN器件的工作特性
為了闡明增強(qiáng)型 GaN 晶體管的工作原理，圖 4 展示了傳輸特性曲線。在 VGS 達(dá)到接近 1.7V 后，晶體管開始導(dǎo)通。由于 GaN 材料具有高電子高遷移率，GaN 晶體管表現(xiàn)出高跨導(dǎo)增益和大電流傳導(dǎo)能力。例如，在 3V 的 VGS 下，典型的 GaN 晶體管可以傳導(dǎo) 5A 的飽和電流 IDS。此外，GaN功率晶體管的飽和電流隨溫度增加呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，這可以保護(hù)功率器件在高溫大功率工作情況下免受永久性損壞。
圖 4 增強(qiáng)型GaN晶體管的傳輸特性
為了比較 GaN 晶體管與硅晶體管的柵極電容，選取了幾款典型器件并對它們的柵極電荷 QG 參數(shù)進(jìn)行比較，如表 1中所示。與傳統(tǒng)的硅器件相比，GaN 器件具有寬禁帶電壓和高電子遷移率。在100V 耐壓和相同的導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 情況下，GaN 晶體管的柵極電荷比硅器件小了 12 倍，這使得GaN器件成為高頻高效率開關(guān)電源系統(tǒng)中理想的開關(guān)功率器件。
表 1 硅和 GaN 器件之間柵極電荷 QG 的比較
圖 5 展示了不同柵極驅(qū)動電壓 VGS 下的導(dǎo)通電阻RDS(ON)。當(dāng) VGS 接近最大柵極電壓時，RDS(ON)最低，器件溝道具有高導(dǎo)電性。因此，為了降低GaN器件導(dǎo)通損耗，需要在不損壞柵極結(jié)構(gòu)的情況下最大化提高GaN 晶體管的柵極驅(qū)動電壓。在GaN晶體管并聯(lián)的大電流系統(tǒng)應(yīng)用中，由于GaN晶體管RDS(ON)具備正溫度系數(shù)，這使得其具有與硅晶體管相似的特性，易于并聯(lián)以擴(kuò)展功率范圍。
圖5. 不同的VGS柵極電壓下的導(dǎo)通電阻
圖 6. 增強(qiáng)型 GaN 晶體管的反向傳導(dǎo)特性
圖 6 所示，GaN在柵極為零電壓的情況下，溝道中的電子完全耗盡，這迫使 GaN 晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。然而，隨著漏極電壓進(jìn)一步降低，柵極和漏極之間會產(chǎn)生正偏壓，吸引柵極下方的電子形成導(dǎo)電溝道。由于 GaN 晶體管的漏極和源極結(jié)構(gòu)不對稱，反向?qū)ǔ尸F(xiàn)高阻值。例如，如果要反向傳導(dǎo) 4A 的電流，漏極電壓變?yōu)?-3V（VSD=3V）。另外，由于沒有少數(shù)載流子參與導(dǎo)通， GaN 晶體管沒有反向恢復(fù)損耗，這顯著降低了開關(guān)損耗，使其非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用。 |
