本文是專為功率系統(tǒng)設(shè)計工程師及工程經(jīng)理而設(shè)的連載文章的第一章。我們在未來數(shù)個月將介紹應用于電源轉(zhuǎn)換的氮化鎵技術(shù)，并討論其基本設(shè)計及輔以應用范例。硅器件已稱王多時，現(xiàn)在我們可利用一個全新技術(shù)替代它!

氮化鎵啟航

HEMT(高電子遷移率晶體管)氮化鎵(GaN)晶體管大約最早在二零零四年出現(xiàn)，當時日本的Eudyna公司推出一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)了為射頻市場而設(shè)的晶體管。高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)基于在接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處異常高的電子遷移率，被描述為二維電子氣(2DEG)。將這種現(xiàn)象應用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)吉赫茲頻率范圍內(nèi)的基準功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一種耗盡型射頻高電子遷移率晶體管，首次利用硅基上生成的氮化鎵晶圓制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技術(shù)。

隨著另外幾家公司參與市場發(fā)展，氮化鎵射頻晶體管在射頻應用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進。但在這個市場以外的認受性卻非常有限，主要的原因是器件的成本和耗盡型器件的操作并不方便。

宜普公司在二零零九年六月推出了首款增強型硅基氮化鎵(eGaN®)場效應晶體管(FET)。這種晶體管專門設(shè)計用于替代功率MOSFET器件。這些產(chǎn)品可以使用標準硅的制造技術(shù)和設(shè)備，以低成本大批量生產(chǎn)。

我們對功率半導體最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的結(jié)構(gòu)如果不具備這些特征的話，便不可能商品化。

讓我們對作為下一代功率器件發(fā)展平臺的硅、碳化硅及氮化鎵器件進行比較。

為什么使用氮化鎵器件?

從一九五零年代開始，硅是功率半導體的主要材料。與鍺或硒等其它早期半導體材料相比，它具有四大特點：

1. 硅器件推動了全新應用的出現(xiàn);

2. 硅器件被證實更為可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶體管如果要替代硅器件，它的材料性能必需展示在以上四方面比硅器件更為優(yōu)勝。

硅器件的優(yōu)勢是基于其基本物理特性及在制造基礎(chǔ)設(shè)施和工程方面的龐大投資?，F(xiàn)在讓我們來了解硅的幾個基本性能，以及它與其它替代材料的比較。表一展示了用于功率管理市場的三種競爭半導體材料的三種主要電學性能。

表一：氮化鎵、碳化硅及硅材料的性能比較

如何使用以上的基本結(jié)晶參數(shù)對功率晶體管的性能進行比較，其中的一個辦法是比較以上三個器件理論上可實現(xiàn)的最大性能。功率器件的眾多特性對目前的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有相當?shù)挠绊?，其中五個最重要的特性包括器件的傳導效率、擊穿電壓、開關(guān)速度、尺寸及成本。這些器件特性決定可實現(xiàn)的系統(tǒng)頻率及功率密度。

從表一的數(shù)據(jù)(對氮化鎵二維電子氣的高遷移率做出調(diào)整后)我們可以得出作為擊穿電壓及材料函數(shù)的理論上最小電阻(電導的倒數(shù))。

表一展示了由于碳化硅與氮化鎵器件均具有比較高的臨界電場強度，使它們的電阻及擊穿電壓具優(yōu)越關(guān)系，允許器件在給定的擊穿電壓下實現(xiàn)更小尺寸，以及我們可以把端子更緊密地排列在一起。此外，與碳化硅器件相比，氮化鎵器件的另一個額外優(yōu)勢是由于二維電子氣的電子遷移率較高，使氮化鎵器件可以在給定的電阻及擊穿電壓下具有更小的尺寸，為氮化鎵器件加分!

由于氮化鎵器件可以比硅器件小很多，以及其電子遷移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化鎵高電子遷移率晶體管可具更快速開關(guān)的優(yōu)勢。圖二展示在一個12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，一個氮化鎵晶體管與兩個硅功率MOSFET器件的過渡時間的比較。 氮化鎵晶體管的開關(guān)時間是等效40 V 硅器件的五分之一，以及是等效25 V硅器件的四分之一。這再次為氮化鎵器件加分![!--empirenews.page--]

圖一：硅、碳化硅及氮化鎵器件的理論導通電阻與阻擋電壓能力的關(guān)系的比較。

圖二：在一個12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，氮化鎵場效應晶體管與硅功率MOSFET器件的硬開關(guān)開啟速度的比較。 可見三個器件均具備相同導通電阻，但具有不同的擊穿電壓。

氮化鎵器件的橫向結(jié)構(gòu)有助它的flip-chip封裝，它是一種高性能的封裝，因為具最低阻抗及端子電感。此外，氮化鎵功率器件在晶片尺寸方面比硅器件優(yōu)越，因為它采用高效封裝，使它的尺寸比現(xiàn)今器件小很多。

表二：功率MOSFET器件的各種封裝與氮化鎵場效應晶體管的柵格陣列封裝的比較。

表二比較了氮化鎵場效應晶體管與具有相同導通電阻的MOSFET器件的尺寸。氮化鎵場效應晶體管由于具有高效晶片級柵格陣列封裝及更小的晶片尺寸，大大縮小了器件在印刷電路板上的總體占位區(qū)域。這證明氮化鎵器件再次比MOSFET器件優(yōu)勝!

氮化鎵晶體管建構(gòu)于一個比較新的技術(shù)，因而它的制造成本比等效硅器件為高。但這是暫時的情況，正如在我們的教科書(氮化鎵晶體管-高效功率轉(zhuǎn)換器件)第十四章所述，氮化鎵場效應晶體管可以逾越這個障礙，實現(xiàn)比等效功率MOSFET或IGBT器件更低的成本。

氮化鎵場效應晶體管的基本結(jié)構(gòu)

氮化鎵場效應晶體管的基本結(jié)構(gòu)見圖3。與任何功率場效應晶體管一樣，氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)具有柵極、源極和漏極電極。源極和漏極電極穿過AlGaN 頂層與下面的二維電子氣形成歐姆接觸，并在源極和漏極之間形成短路，直至二維電子氣區(qū)域內(nèi)的電子耗盡，以及半絕緣的氮化鎵晶體可以阻隔電流為止。為了耗盡二維電子氣的電子，我們需要將柵極電極放置在AlGaN 層的上面。對于很多早期的氮化鎵晶體管來說，這個柵極電極形成為一個與頂部的表面接觸的肖特基接觸點。在這個接觸點施加負電壓，肖特基勢壘將變成反向偏置，從而使下面的電子耗盡。因此，為了把器件關(guān)斷，需要施加相對于漏極和源極電極的負電壓。這種晶體管名為耗盡型或D 型異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應晶體管(HFET)。

圖三：典型的AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應晶體管結(jié)構(gòu)，具柵極、源極和漏極三個金屬半導體接觸點。[!--empirenews.page--]

在功率轉(zhuǎn)換的應用中，D 型器件并不方便，因為在功率轉(zhuǎn)換器啟動時，必須首先在功率器件施加負偏置，否則會導致短路。反之，增強型(E 型)器件沒有這個限制。在柵極為零偏置時，E 型器件處于“關(guān)斷”狀態(tài)，及不會傳導電流。當宜普電源轉(zhuǎn)換公司推出商用增強型氮化鎵場效應晶體管后，大大減低了使用氮化鎵晶體管來設(shè)計功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的難度。

增強型氮化鎵場效應晶體管的結(jié)構(gòu)

宜普的增強型的工藝開始于硅晶圓。在硅基上生成的一層氮化鋁(AlN) 的薄層，為隨后生長的氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供一層晶種層。由AlGaN 及其后的氮化鎵組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在氮化鋁層上生長。在這層的基礎(chǔ)上搭建氮化鎵場效應晶體管。隨后在這個具高阻抗性的氮化鎵厚層上生長一薄層AlGaN。這個薄層使氮化鎵與AlGaN 層之間產(chǎn)生應變介面。這個應變介面加上氮化鎵固有的壓電性質(zhì)產(chǎn)生滿載大量高遷移率電子的二維電子氣 。下一步工藝是在柵極下方形成一個耗盡區(qū)。為了增強場效應晶體管性能，可以用與導通n 溝道的增強型功率MOSFET 相同的方式，給柵極施加一個正向電壓，如圖四所示。額外金屬層可以把電子導向柵極、漏極及源極的端子(圖五顯示了這種結(jié)構(gòu)的橫截面)。這種結(jié)構(gòu)被重復多次而形成一個完整的功率器件，如圖六 所示。

圖四: 氮化鎵場效應晶體管的結(jié)構(gòu)。

圖五：氮化鎵場效應晶體管的掃描電子顯微鏡圖像。

圖六：氮化鎵場效應晶體管的俯視圖。它的額定值為40 V、4 mΩ 及33 A。

總結(jié)

在技術(shù)文章系列的第一章，我們介紹了具備優(yōu)越性能的硅基氮化鎵功率器件可以替代現(xiàn)有的功率MOSFET器件。我們描述了兩種氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)，分別為耗盡型及增強型氮化鎵晶體管。氮化鎵場效應晶體管的尺寸更小、開關(guān)速度更快、容易使用、已經(jīng)用作商業(yè)用途及在不久的將來可以比硅器件的成本更低。下一章我們將討論功率系統(tǒng)設(shè)計工程師所需的基本工具，以實現(xiàn)氮化鎵晶體管的卓越性能。