【導(dǎo)讀】氮化鎵功率半導(dǎo)體器件毫無疑問是目前電力電子領(lǐng)域中非?；馃岬囊粋€(gè)話題。當(dāng)今占主導(dǎo)有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化鎵晶體管。當(dāng)人們面臨選擇時(shí)，有時(shí)會(huì)難以言明地傾向于使用增強(qiáng)型晶體管。而事實(shí)上，Normally-off D-mode在性能、可靠性、多樣性、可制造性以及實(shí)際用途方面都是本質(zhì)上更優(yōu)越的平臺(tái)。這之中的原因在于Normally-off D-mode能夠充分利用氮化鎵材料本身優(yōu)勢。
常閉耗盡型 (D-Mode) 與增強(qiáng)型 (E-Mode) 氮化鎵晶體管本質(zhì)優(yōu)勢對(duì)比之簡短指南
氮化鎵功率半導(dǎo)體器件毫無疑問是目前電力電子領(lǐng)域中非常火熱的一個(gè)話題。當(dāng)今占主導(dǎo)有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化鎵晶體管。當(dāng)人們面臨選擇時(shí)，有時(shí)會(huì)難以言明地傾向于使用增強(qiáng)型晶體管。而事實(shí)上，Normally-off D-mode在性能、可靠性、多樣性、可制造性以及實(shí)際用途方面都是本質(zhì)上更優(yōu)越的平臺(tái)。這之中的原因在于Normally-off D-mode能夠充分利用氮化鎵材料本身優(yōu)勢。
氮化鎵中的大自然饋贈(zèng)：二維電子氣 (2DEG)
氮化鎵晶體管的成功很大程度上歸功于一個(gè)關(guān)鍵的自然現(xiàn)象：2DEG溝道。2DEG是在GaN和AlGaN薄層界面處自發(fā)形成極其快速的導(dǎo)電通道。其自發(fā)存在的電子濃度是半導(dǎo)體材料中可達(dá)到的最高之一。除此之外，它還可提供兩倍于最先進(jìn)的硅基或碳化硅晶體管的電子遷移率—高達(dá)2000 cm2/V?s。因此，二維電子氣有著非?？捎^的低電阻—電容品質(zhì)因數(shù) (low resistance-versus-capacitance figure of merit) 及創(chuàng)紀(jì)錄的高效率。
每一個(gè)氮化鎵功率器件都源自耗盡型器件
圖1展示了一個(gè)橫向 (lateral) 氮化鎵功率晶體管的原型結(jié)構(gòu)—這幾乎是當(dāng)今市面上所有氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)。AlGaN/GaN層通過沉積在被精心設(shè)計(jì)的緩沖層隔開的硅襯底上以實(shí)現(xiàn)高材料質(zhì)量及阻斷電壓。溝道與漏極 (Drain) 及源極 (Source) 接觸從而使電流通過。而調(diào)制電流的柵極 (Gate) 位于漏源之間并通過電介質(zhì)層隔離來取得低漏電與高穩(wěn)固性。場板 (Field-plate) 結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用來取得最佳的電場散布及高可靠性。
圖1 氮化鎵功率晶體管之完善體現(xiàn)—耗盡型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT)
歸功于材料本性，在AlGaN/GaN界面處會(huì)自發(fā)形成2DEG溝道，而無需外部施加?xùn)艠O電壓。意味著器件是常開型的，若想要耗盡溝道電子從而關(guān)閉它則需要給柵極加負(fù)偏壓—這就是耗盡型器件。然而，電力電子系統(tǒng)往往需要常閉型器件來實(shí)現(xiàn)故障安全操作。
那么這就有個(gè)問題：如何讓橫向的氮化鎵高遷移率晶體管 (簡稱HEMT) 變成常閉型呢？這就引入了Normally-off D-mode及Normally-off E-mode (p-GaN柵) 兩個(gè)不同的技術(shù)路線。
在Normally-off D-mode技術(shù)中，氮化鎵HEMT的結(jié)構(gòu)不變從而保持它的高性能及可靠性。在自然狀態(tài)下，2DEG溝道可不受束縛地最大化其無與倫比的高遷移率和電荷密度組合。Transphorm的Normally-off D-mode解決方案是將氮化鎵HEMT與低電壓常關(guān)型硅基MOSFET結(jié)合來實(shí)現(xiàn)常閉型操作。該解決方案根據(jù)功率等級(jí)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框架可提供2.5伏至4.0伏的正閾值電壓。
相較之下，Normally-off E-mode增強(qiáng)型器件的方案選擇控制HEMT內(nèi)部的2DEG—但這樣的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)2DEG優(yōu)勢有負(fù)面影響。
Normally-off E-mode增強(qiáng)型氮化鎵器件限制了2DEG的天然優(yōu)勢
在工程師們將橫向氮化鎵HEMT的設(shè)計(jì)改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)常關(guān)型時(shí)不得不做出幾個(gè)關(guān)鍵的妥協(xié)。首先，2DEG濃度必須要減少，這會(huì)導(dǎo)致相較于自然狀態(tài)下更高的單位面積電阻 [圖2] 及更低的品質(zhì)因數(shù)(FOM)。其次，空穴摻雜的p-GaN層 [圖3] 必須要添加到柵極金屬下—這一層起到一個(gè)內(nèi)置的負(fù)電池（大約有-3.2伏）的作用從而關(guān)斷2DEG溝道并實(shí)現(xiàn)近1.6伏的較弱的正閾值電壓。
圖2 較高的薄層電阻是由于為實(shí)現(xiàn)關(guān)斷溝道而導(dǎo)致較低的溝道電子濃度
(b)
圖3 (a) Normally-off E-mode（P-GaN 柵極）結(jié)構(gòu)，無柵極隔離。 (b) 示意圖顯示肖特基金屬接觸，產(chǎn)生危險(xiǎn)的背靠背二極管，其間有浮動(dòng)p-GaN層，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)閾值電壓Vth問題
在處理雜訊環(huán)境或高功率水平時(shí)，1.6V閾值電壓可能是不夠的，往往需要使用大約 -3V 的負(fù)電壓柵極驅(qū)動(dòng)，從而增加電路復(fù)雜性和額外的死區(qū)時(shí)間損耗。事實(shí)上，在 -3V 的柵極偏置下，從源極流向漏極的反向電流必須克服負(fù)柵極電壓，這會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗。最近，負(fù)驅(qū)動(dòng)對(duì)器件動(dòng)態(tài)或開關(guān)電阻的負(fù)面影響已成為主要研究和關(guān)注的焦點(diǎn)1。（這里的動(dòng)態(tài)電阻是應(yīng)用中的相關(guān)電阻，但是往往在Normally-off E-mode器件供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表中沒有明確注明）
多米諾效應(yīng)：Normally-off E-mode 缺乏柵極隔離、動(dòng)態(tài)閾值問題、較低性能和脆弱性
上述 Normally-off E-mode方案是有代價(jià)的：失去柵極隔離等等。
用p-GaN 代替柵極電介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致柵極不再被隔離。這在正向偏壓下會(huì)產(chǎn)生較高的柵極電流，從而嚴(yán)重限制了Normally-off E-mode器件的最大柵極電壓額定值。為了減少較大柵極電流，可以采用另一種方法：柵極從歐姆金屬接觸改為肖特基勢壘 [圖 3b]。但是肖特基勢壘又帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗F(xiàn)在阻礙了導(dǎo)通瞬態(tài)期間柵漏電容的放電。這個(gè)引起了“動(dòng)態(tài)閾值電壓”這一有害現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的問題，如圖4所示。若干個(gè)研究組都報(bào)告了這個(gè)問題2,3。在 480V 電壓下，Normally-off E-mode器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻RDS(ON) 增加了 27%，而Normally-off D-mode器件僅增加了 5%，從而減少了導(dǎo)通損耗。圖 4里的Normally-off E-mode數(shù)據(jù)也得到了其他一些獨(dú)立研究結(jié)果的支持4。
圖4 具有肖特基勢壘的Normally-off E-mode 器件難以對(duì)器件電容進(jìn)行放電，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)閾值電壓和導(dǎo)通電阻問題以及更高的損耗
由于電容放電困難，Normally-off E-mode 器件的閾值電壓在開關(guān)過程中不穩(wěn)定。與Normally-off D-mode器件相比，這會(huì)導(dǎo)致更高的功率損耗。（這可能就是Normally-off E-mode 制造商通常不報(bào)告動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的原因）。為了緩解這一問題，理論上可以對(duì)柵極進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)，以降低器件柵極下方的導(dǎo)通電阻. 然而，這種潛在的解決方案要求必須把柵極電壓控制在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)，因?yàn)樗荒艹^較低的柵極最大額定值，以防止柵極損壞（最大只有+7 V），見圖5。
圖5 Normally-off E-mode驅(qū)動(dòng)器全面開啟通道時(shí)只有 1 V 的余量，因此很容易導(dǎo)致?lián)p壞
2DEG 遷移率隨溫度升高而降低也會(huì)導(dǎo)致 p-GaN 柵極跨導(dǎo)下降 [圖 6a]，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速度更慢，并且與Normally-off D-mode相比，開關(guān)損耗也更多5，效率也更低。為解決這個(gè)問題，p-GaN 柵極方案需要更大的芯片，但是這會(huì)增加米勒電容，降低整體效率和造成更高成本。
(a) (b)
圖6 (a) Normally-off p-GaN 柵極跨導(dǎo)隨溫度升高而下降，并降低柵極驅(qū)動(dòng)能力; (b) Normally-off D GaN器件跨導(dǎo)不會(huì)隨溫度降低，因?yàn)楣钖艠O在高溫下不受 GaN 遷移率下降的影響
另外，數(shù)據(jù)表也顯示Normally-off E-mode的導(dǎo)通電阻有著比Normally-off D-mode器件更高的溫度系數(shù)，從攝氏25度到150度增加高達(dá)2.6倍 [圖7]，這導(dǎo)致了隨著溫度升高快速增長的導(dǎo)通損耗。
圖7 Normally-off D GaN 的電阻溫度系數(shù)優(yōu)于 p-GaN 柵極 HEMT
Normally-off E-mode 器件由于缺陷注入到外延而引起的閾值電壓漂移敏感性也限制了其性能。Normally-off E-mode 的硅襯底必須連接到源極端子，以減輕由源極本身的電子注入引起的外延充電。這一設(shè)計(jì)將 Normally-off E-mode 的漏極電壓最大額定值限制為 650 V。更高的電壓需要更厚的 GaN 外延來支持加在外延上的壓降，但這個(gè)需要更復(fù)雜的生長技術(shù)和更高的成本，因此Normally-off E-mode 器件在 1200 V 的競爭中處于不利的局面。
Normally-off D-mode結(jié)構(gòu)的理念：正確的方法適用于正確的目的
Transphorm以不同的方式處理氮化鎵功率半導(dǎo)體。其技術(shù)平臺(tái)將常開型的氮化鎵Normally-off D-mode HEMT與高可靠、高性能的常閉型的低壓硅MOSFET在D-mode結(jié)構(gòu)中結(jié)合在一起。這確保了平臺(tái)安全的常閉操作，同時(shí)保留了最高的氮化鎵性能和最高的硅MOSFET柵極可靠性。
開發(fā)Normally-off D-mode結(jié)構(gòu)氮化鎵平臺(tái)是經(jīng)過深思熟慮的，原因有很多，最重要的原因是它與氮化鎵的自然特性協(xié)同工作，并且與今天的硅技術(shù)向后兼容。它允許平臺(tái)元素，特別是2DEG，發(fā)揮它們的最佳作用。因此，與其通過Normally-off E-Mode（p-氮化鎵柵極）限制氮化鎵的優(yōu)勢，Normally-off D-mode結(jié)構(gòu)實(shí)際上更加能充分利用氮化鎵的潛力。因此，Normally-off D-mode代表了一個(gè)高性能、高穩(wěn)定度的氮化鎵器件技術(shù)平臺(tái)，具有業(yè)界領(lǐng)先的可靠性和多樣性。
發(fā)揮Normally-off D-Mode的自然優(yōu)勢
Normally-off D-Mode結(jié)構(gòu)器件不會(huì)遇到Normally-off E-Mode器件所經(jīng)歷的前述挑戰(zhàn)。例如，其解決方案不受動(dòng)態(tài)閾值問題的影響，因?yàn)樗?qū)動(dòng)的是一個(gè)柵極隔離、低壓的硅MOSFET。閾值電壓由硅FET獨(dú)立設(shè)定，與氮化鎵HEMT無關(guān)。
常閉的D-Mode結(jié)構(gòu)除了2DEG外，還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)自然的附加優(yōu)勢：SiN/Si界面。該界面自然地隔離了器件的柵極，提供了汽車級(jí)的最大柵極額定值+/-20V，具有卓越的可靠性和大驅(qū)動(dòng)余量。閾值電壓高達(dá)4V，且不會(huì)對(duì)2DEG有任何不利影響。硅低壓MOSFET不需要負(fù)壓關(guān)斷或任何特殊的柵極驅(qū)動(dòng)器。在所有開關(guān)條件下都穩(wěn)定，不存在與動(dòng)態(tài)閾值問題相關(guān)的隱形的功率損耗。如圖6b所示，Normally-off D-Mode結(jié)構(gòu)氮化鎵器件的跨導(dǎo)非常高，且不會(huì)隨溫度下降，因?yàn)樗晒鐼OSFET決定，并且獨(dú)立于2DEG遷移率。
誤區(qū)一：硅MOSFET會(huì)增加導(dǎo)通電阻和反向恢復(fù)電荷?，F(xiàn)實(shí)是：在氮化鎵Normally-off D-Mode技術(shù)中，氮化鎵芯片承受大部分的關(guān)斷高壓（>90%）。硅MOSFET僅需承受幾十伏的電壓。單位面積的導(dǎo)通電阻隨著額定電壓按二次方下降，所以硅MOSFET實(shí)現(xiàn)了極低的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)），不足總電阻的10%，并具有非常小的反向恢復(fù)電荷（Qrr）。值得注意的是，這個(gè)Qrr比高壓超結(jié)硅MOSFET技術(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。以此為例，對(duì)于傳統(tǒng)的600V硅超結(jié)功率器件，電阻電荷的乘積FOM（Ron * Qrr）為145 m?-pC。對(duì)于650V的常閉耗盡型氮化鎵，F(xiàn)OM降至6 m?-pC，這標(biāo)志著巨大的改進(jìn)。而在6 m?-pC中，低壓硅MOSFET僅貢獻(xiàn)0.5 m?-pC，不到總數(shù)的10%，也不到600V硅功率器件的0.5% [圖A]。誤區(qū)破除。
圖A：600V超結(jié)硅器件、650V 氮化鎵Normally-off D-Mode器件和（與氮化鎵HEMT配對(duì)的）低壓硅FET的開關(guān)特性比較。低壓硅FET對(duì)整體氮化鎵Normally-off D-Mode電阻和電容的貢獻(xiàn)很小。
誤區(qū)二：Normally-off E-mode器件沒有Qrr?，F(xiàn)實(shí)是：在從反向?qū)ㄇ袚Q到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，反向恢復(fù)電荷不僅考慮雙極性輸運(yùn)里少數(shù)載流子復(fù)合，還包括空間電荷區(qū)域的形成，這實(shí)際上相當(dāng)于輸出電荷（Qoss）。確實(shí)，氮化鎵 HEMT沒有反向?qū)ǖ碾p極性輸運(yùn)，但它們?nèi)匀痪哂性诜聪蚧謴?fù)期間需要充電的輸出電容。簡而言之，Qrr = Qoss。Qrr并不為零。誤區(qū)破除。
這些優(yōu)勢得到了實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)的支持。當(dāng)Transphorm的Normally-off D-Mode器件在商業(yè)電源適配器里取代Normally-off E-mode氮化鎵時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更高的效率和高達(dá)50%的機(jī)殼溫度下降（盡管這里用的Normally-off D-Mode器件的數(shù)據(jù)表標(biāo)稱導(dǎo)通電阻要比E-mode高30%）[圖8]。值得注意的是，即使芯片尺寸更小、數(shù)據(jù)表里電阻更高，Transphorm的Normally-off D-Mode氮化鎵器件（商標(biāo)為SuperGaN）在性能上也還是優(yōu)于Normally-off E-mode器件。
圖8：Transphorm的Normally-off D-Mode氮化鎵器件SuperGaN和P-GaN E-mode HEMT在280瓦雷蛇電源適配器上的性能差異。
GaN 的封裝多樣性等于客戶應(yīng)用的兼容性
D-Mode常閉平臺(tái)非常適合各種標(biāo)準(zhǔn)封裝，例如通孔、表面貼裝和多芯片模塊。這些封裝本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化鎵平臺(tái)本身的性能和可靠性。
借助于現(xiàn)代封裝技術(shù)，Transphorm高功率Normally-off SuperGaN產(chǎn)品的寄生電感得以最小化。其采用了芯片堆疊技術(shù)和類似硅管的引線鍵合技術(shù) [圖 9]，無需引入額外的引線鍵合和額外的寄生電感。Normally-off D-Mode產(chǎn)品也支持其他的封裝方案，例如銅夾扣鍵合(Copper Clip)和開爾文源極(Kevin source)等等。
圖9：SuperGaN FET 芯片堆疊封裝（TO-247）。也可以采用表貼封裝，如 PQFN、TOLL、TOLT 或模塊
誤區(qū)三：D-Mode GaN會(huì)振蕩。事實(shí)：D-Mode GaN具有很大的增益。增益本身是有益的，可以實(shí)現(xiàn)非?？焖俚拈_關(guān)。但需要正確利用它才能實(shí)現(xiàn)所需的性能，同時(shí)防止出現(xiàn)不良影響，例如振蕩。為了防止振蕩并充分利用任何快速開關(guān)半導(dǎo)體器件，電路工程師應(yīng)遵循一組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則，例如：最小化柵極和電源環(huán)路電感、選擇正確的柵極電阻和柵極鐵氧體磁珠，在需要的地方采用 RC 緩沖器（主要是在直流鏈路上，盡可能靠近設(shè)備的漏極端子）。所有這些設(shè)計(jì)原則都很容易實(shí)施，并在應(yīng)用筆記 AN00096 中進(jìn)行了總結(jié)，如果實(shí)施得當(dāng)，它們不會(huì)降低 GaN HEMT 的性能。相反，它們會(huì)增強(qiáng)其性能，同時(shí)抑制振蕩和電磁干擾 (EMI)。參見波形圖 B。誤區(qū)破除。
圖 B：GaN 共源共柵器件具有高增益。良好的電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化的電源環(huán)路電感有助于抑制振蕩并實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和高性能
一些額外優(yōu)勢
Normally-off D-Mode結(jié)構(gòu)還非常適合系統(tǒng)級(jí)封裝集成，其中柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器與 D-mode HEMT + 低壓 Si FET（單片或混合）無縫集成，為滿足不同的終端需求增加了另一種選擇。
此外，D-mode結(jié)構(gòu)里的GaN HEMT 不需要將源極連接到襯底。一個(gè)浮動(dòng)或絕緣基板可實(shí)現(xiàn)更高的額定電壓（例如：高達(dá) 1200 V7）和雙向開關(guān)器件8。而對(duì)于p-GaN 柵極的E-mode器件，如果想要開發(fā)雙向開關(guān)器件，一個(gè)困難在于當(dāng)兩個(gè)端子的極性從接地電壓到直流總線電壓交替時(shí)，基板應(yīng)該連接到哪個(gè)端子？對(duì)于 p-GaN 柵極 HEMT 來說，這是一個(gè)沒有明確答案的問題。
D-mode HEMT 還具有一些當(dāng)今 E-mode HEMT 無法輕易獲得的優(yōu)勢。例如，隨著 GaN器件滲透到電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場，它將需要具備短路能力。 D-mode的絕緣柵電壓處理可實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)雅的設(shè)計(jì)方法。事實(shí)證明，此類方法可將 Transphorm D-mode器件的短路耐受時(shí)間 (SCWT)增大到 5 微秒9，滿足商用柵極驅(qū)動(dòng)器的要求。值得注意的是，Transphorm 通過其專有的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)了 SCWT，無需添加額外的掩?；螂娏鞲袘?yīng)引腳，使得三引腳封裝仍然適用。迄今為止，E-mode器件似乎還沒有為這種可能性做好充分準(zhǔn)備，只有有限演示，有時(shí)甚至具有誤導(dǎo)性。
結(jié)論
結(jié)合上述優(yōu)勢，Transphorm Normally-off D-Mode氮化鎵技術(shù)平臺(tái)（SuperGaN）產(chǎn)生了一系列器件，優(yōu)化并且放大了 GaN 作為半導(dǎo)體材料的固有優(yōu)勢，為下一代電力電子產(chǎn)品提供真正革命性的功率轉(zhuǎn)換解決方案。
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