GaN 功率器件，E-模式 HEMT技術(shù)選擇介紹和發(fā)展情況

最流行的 e-mode HEMT 結(jié)構(gòu)是在柵極上使用 p-GaN 層。實現(xiàn)的典型 Vt 在 1-2 V 范圍內(nèi)。HEMT 在開關(guān)應用中的固有優(yōu)勢得以保留，并且開關(guān)損耗可以更低。e-mode 器件的主要缺點之一是其低 Vt，這可能導致柵極對噪聲和 dV/dt 瞬態(tài)的抗擾度較差。出于可靠性原因，最大柵極電壓通常限制為 6-7 V，并且可能需要負電壓來關(guān)閉器件。封裝和柵極電阻 (Rg) 的選擇對于確保安全和穩(wěn)健的器件運行變得更加重要。低柵極電感 (Lg) 和共源電感 (Lcs) 確保過沖和振鈴控制，以防止錯誤的器件開啟?？赡苄枰性疵桌浙Q位以及與源極的開爾文連接以改進柵極電壓控制。硬開關(guān)應用中的死區(qū)時間損失也很大，尤其是在負柵極電壓條件下，由于缺少續(xù)流二極管導致的反向源漏 (Vsd) 電壓較高。

多家公司提供 e-mode GaN 產(chǎn)品，例如 Navitas、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Power International、GaN Systems、英飛凌、Innoscience、Cambridge GaN Devices、Rohm、意法半導體和 Wise Integrations。鑒于上述柵極驅(qū)動的限制，許多人選擇了更集成的方法，我們將在下面討論。

柵極驅(qū)動魯棒性

Cambridge GaN Devices (CGD) 創(chuàng)造了一種集成了柵極驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換器的單片芯片。有效 Vt 增加到 3 V，使其與現(xiàn)成的柵極驅(qū)動器兼容。該集成包括用于高 dV/dt 操作的米勒鉗位。集成的 Kelvin 和源電流檢測無需額外的源電阻即可實現(xiàn)柵極監(jiān)控和控制，從而允許將低側(cè) FET 源極焊盤直接接合到接地層以改善冷卻效果。

單片全GaN集成

Navitas 通過將柵極驅(qū)動和保護電路集成到單個芯片中的工藝進一步實現(xiàn)了集成。

電感 Lcs 和 Lg 降低，從而避免了柵極過沖和快速的柵極關(guān)斷時間，從而大大降低了關(guān)斷損耗。集成了電流檢測以及壓擺率控制，以優(yōu)化硬開關(guān)事件期間的開啟，從而最大限度地降低 EMI。過溫 (OTP) 和過流 (OCP) 等保護功能提高了魯棒性。

手機和筆記本電腦等消費類快速充電器應用在消費類快速充電器市場(約 20 至 300 W)的整個 GaN 市場中占有主導地位。其他應用包括激光雷達、照明、電機驅(qū)動和電信電源。

封裝創(chuàng)新是具有上述限制的電子模式設備的關(guān)鍵。這方面的一個例子所示的 GaN Systems 的 GaNpx 封裝。這是一種無引線鍵合嵌入式封裝，它利用通孔銅通孔實現(xiàn)低熱阻和低電感封裝。他們的 GS66516T 產(chǎn)品的結(jié)殼熱阻僅為 0.27 K/W，與傳統(tǒng)的 TO-247 封裝相比毫不遜色。數(shù)據(jù)中心電源的高功率密度超過 80 W/in 3 已得到證實。

垂直GaN FET

橫向 GaN HEMT 主要專注于 < 800 V 的應用空間。采用 Si 或碳化硅 (SiC) 制成的垂直功率器件在 > 700 V 應用空間中占據(jù)主導地位。最近人們對在 GaN 襯底上制造的 GaN 垂直器件產(chǎn)生了興趣，以克服橫向器件的一些高電壓限制。Nexgen Power Systems 和 Odyssey Semi 是兩家致力于此類設備的公司。

“垂直 GaN 對功率器件很有意義。Si 和 SiC 大功率器件是垂直的，其優(yōu)點是 BV 由外延特性決定，而不是由橫向芯片尺寸決定。垂直電流有助于熱傳導，提供更低的 Rds on并且本質(zhì)上更可靠。垂直 GaN 在 SiC 目前所追求的電壓下提供了 GaN 的寶貴開關(guān)特性，”O(jiān)dyssey Semi 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說。

Davidson 解釋說：“當由于芯片尺寸變得太大而需要額定電壓高于 900 V 時，橫向 GaN on Si 功率器件具有實際限制。我們將我們的垂直 GaN FET 與 1200 V 橫向電壓進行了比較——對于相同的 Rdson，橫向 GaN FET 裸片尺寸是我們垂直的 5 倍。與 SiC 相比，材料在遷移率和更高臨界領(lǐng)域的優(yōu)勢在特定導通電阻方面提供了 10 倍的優(yōu)勢。如圖 8 所示，這使得在 4 英寸 GaN 晶圓上制造的垂直 GaN 裸片比在 6 英寸晶圓上制造的 SiC 裸片具有成本優(yōu)勢，同時還提供了顯著的性能優(yōu)勢?！?br />
“Odyssey 已經(jīng)驗證了我們生產(chǎn) 1200 V 垂直 GaN 器件的方法，下一步的重點是可重復性、良率和客戶反饋。我們在紐約自己的晶圓廠快速學習，快速創(chuàng)新。我們已經(jīng)看到汽車和其他客戶的濃厚興趣，他們將垂直 GaN 視為提高效率和功率密度的重要下一步”，Davidson 指出。

氮化鎵供應鏈

來自 Yole Group 的 2022 年功率 GaN 報告，其中對銷售 GaN 功率產(chǎn)品的公司及其制造供應鏈進行了細分。只有 TI、Transphorm 和 Innoscience 等少數(shù)公司擁有包括設計、外延和器件加工在內(nèi)的垂直整合制造能力。Nexperia 等其他公司擁有自己的 Fab，但依賴外部外延供應商。使用臺積電、三安集成電路和 Episil 等代工廠的 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。