GaN-on-Si功率技术:器件和应用

在过去几年中，氮化镓 (GaN) 在用于各种高功率应用的半导体技术中显示出巨大的潜力。与硅基半导体器件相比，氮化镓是一种物理上坚硬且稳定的宽带隙 (WBG) 半导体，具有更快的开关速度、更高的击穿强度和高导热性。

氮化镓晶体可以在多种衬底上生长，如蓝宝石、碳化硅 (SiC)、硅 (Si) 等。为了在硅上实现这种生长，仍然可以使用现有的制造基础设施，从而无需昂贵的生产场地并以低成本利用现成的大直径硅晶片。

GaN-on-Si具有广泛的未来应用，扩展了当前的 HEMT 能力，提高了 1kW 以上的功率水平。该技术可帮助设计人员提高工作电压并将频率响应推至 Ka 波段以外的 E 波段、W 波段和太赫兹空间。这篇论文由香港科技大学电子与计算机技术系的一组研究人员提交。

GaN-on-Si Cascode 配置（600V 级）

图 1：升压转换器原理图

上图显示了具有升压转换器和快速二极管的 600V 级 GaN on Si 器件的应用。开关器件 Q1 和升压二极管 D1 显示在电路中，伴随输入和输出电容器 C1 和 C2 以增强电压稳定性。当 Q1 处于导通状态时，输入电压施加在 L1 上。当 Q1 处于关断状态时，二极管 D1 将存储的能量释放到输出端。有两种工作模式——连续导通模式和非连续导通模式。在连续导通模式下，电感电流保持在零以上，在非连续导通模式下，电感完全释放其储存的能量。

具有高/低侧晶体管的桥式电路

图 2：半桥开关电路原理图

上图中，Q1 和 Q2 都是 GaN Cascode 器件。当栅极处于关闭状态时，每个器件都能够阻断反向传导电压。当栅极处于导通状态时，相应的器件提供正向和反向导电性，电压降最小。如果在开关节点U与直流或低频中间电位W之间增加电感L，则半桥可布置为升压转换器、降压转换器或直流-交流逆变器。为了提高性能，使用升压转换器进行了一项测试，该转换器使用 600 V/52-m GaN 级联开关和 650 V/43 m 最先进的 Si SJ MOSFET，针对低 Q 进行了优化。在进行实验时，它观察到所有电路元件都是相同的，除了开关设备。

GaN-on-Si 器件的未来

它是否支持重要的新应用程序？

Si 上的 GaN 能够在简单的空间硬控制模式下以高频率和高功率水平运行。这在运行期间提供了低损耗，这对于未来几年的功率转换至关重要，并且还将影响伺服电机驱动器、紧凑型 EV 充电器等应用。目前，GaN-on-Si 用于卫星、用于自动驾驶汽车的激光雷达、增强现实系统、机器人技术等。 GaN 晶体管和 IC 可在商业上获得，并且比类似的最先进的硅器件快 5 到 50 倍。

这个容易用吗？

除了性能之外，GaN 晶体管的性能与当今可用的其他传统功率 MOSFET 的性能非常相似。这使得电力系统工程师和其他技术人员可以更轻松地设计电路，而无需额外培训。但需要特别注意电路中的任何寄生感应。

由于 GaN 器件更小，它们需要与计算机和电信设备中使用的相同的更严格的装配公差。该技术已被证明可以顺利集成到为硅 MOSFET 设计的基础设施中，一旦设计和制造专业人员更加熟悉更小、更高效的 GaN 器件。

是否划算？

GaN晶体管的制造过程与硅功率MOSFET的制造非常相似。GaN 器件比硅器件小得多。因此，一次制造了更多的设备。此外，GaN 晶体管是低压晶体管 (<500V)，不需要像硅 MOSFET 那样昂贵的封装。未来几年，随着对 GaN 技术的研究将完成，设计工程师可以预期价格会进一步下降，从而使这些系统相对于传统的硅基器件具有越来越大的市场优势。

它可靠吗？

截至今天，几家 GaN 晶体管制造商在内部压力测试和性能体验中报告了出色的结果。除此之外，还有大量的 GaN 晶体管在实际地面应用中经历了数十亿小时的累积，证明了与硅 MOSFET 相比具有更高的现场可靠性。

结论

研究人员总结说：“GaN-on-Si 器件技术在导通电阻、开关速度、热性能、芯片尺寸和成本方面表现出令人印象深刻的性能。“GaN功率半导体的快速发展将导致电力电子子系统的进一步小型化。”

　　审核编辑：汤梓红