GaN HEMT基本概述、分類及工作原理

GaN HEMT基本概述

氮化鎵高電子遷移率晶體管GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)作為寬禁帶(WBG)功率半導體器件的代表，器件在高頻功率應用方面有巨大的潛力。GaN材料相比于 Si 和SiC 具有更高的電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場，如圖1所示。

由于材料上的優勢，GaN功率器件可以實現更小的導通電阻和柵極電荷(意味著更優秀的傳導和開關性能)。因此GaN功率器件更適合于高頻應用場合，對提升變換器的效率和功率密度非常有利。目前GaN功率器件主要應用于電源適配器、車載充電、數據中心等領域，也逐漸成為5G基站電源的最佳解決方案。

GaN HEMT的分類

按照器件結構類型：可分為橫向和縱向兩種結構，如圖2所示。橫向GaN功率器件適用于高頻和中功率應用，而垂直GaN功率器件可用于高功率模塊。垂直GaN 功率器件尚未在市場上出售，目前處于大量研究以使器件商業化的階段。

按照器件工作模式：可分為常開(耗盡型)和常關(增強型)兩種方式，如圖3所示。在橫向結構中由AlGaN/GaN異質結組成的GaN異質結場效應晶體管(HFET)包括一層高遷移率電子：二維電子氣(2DEG)，2DEG在功率器件漏極和源極之間形成通道。常開(耗盡型)：當柵源電壓為零時，漏源極之間已存在2DEG通道，器件導通。當柵源電壓小于零時，漏源極2DEG通道斷開，器件截止。常關(增強型):當柵源電壓大于零時，漏源極之間2DEG通道形成，器件導通。

常開(耗盡型)器件在啟動過程中可能會出現過沖或失去功率控制，因此不適用于電源變換器等應用中。常關(增強型)器件通過簡單的柵極驅動控制，在電力電子廣泛應用。

兩種常見的常關型GaN HEMT

(共源共柵型和單體增強型)

單體增強型P-GaN功率器件單體增強型器件在AlGaN勢壘頂部生長了一層帶正電(P型)的GaN層。P-GaN層中的正電荷具有內置電壓，該電壓大于壓電效應產生的電壓，因此它會耗盡2DEG中的電子，形成增強型結構。單體增強型器件優點：內部寄生參數較小，開關性能會更加優異。

共源共柵型GaN功率器件通過低壓增強型Si MOSFET和耗盡型GaN HFET串聯封裝形成常關器件。Si MOSFET的輸出電壓決定了HFET的輸入電壓，在導通模式下共享相同的溝道電流。共源共柵型GaN功率器件的缺點：兩個器件的串聯連接增加封裝的復雜性，將在高頻工作環境中引入寄生電感，可能影響器件的開關性能。

GaN HEMT結構原理圖解

(常開型GaN HEMT為例)

典型AlGaN/GaNHEMT器件的基本結構如圖5所示。器件最底層是襯底層(一般為SiC或Si材料)，然后外延生長N型GaN緩沖層，外延生長的P型AlGaN勢壘層，形成AlGaN/GaN異質結。最后在AlGaN層上淀積形成肖特基接觸的柵極(G)，源極(S)和漏極(D)進行高濃度摻雜并與溝道中的二維電子氣相連形成歐姆接觸。

GaN HEMT工作原理詳解

AlGaN/GaNHEMT為異質結結構器件，通過在GaN層上氣相淀積或分子束外延生長AlGaN層，形成AlGaN/GaN異質結。GaN半導體材料中主要存在纖鋅礦與閃鋅礦結構兩種非中心對稱的晶體結構。

在這兩種結構中，纖鋅礦結構具有更低的對稱性，當無外加應力條件時，GaN晶體內的正負電荷中心發生分離，在沿極軸的方向上產生極化現象，這種現象稱為GaN的自發極化效應。在外加應力下，由于晶體受到應力產生晶格形變，使得內部正負電荷發生分離，在晶體內部形成電場，導致晶體表面感應出極化電荷，發生壓電效應。由于壓電極化和自發極化電場方向相同，在電場作用下使得異質結界面交界處感應出極化電荷。

由于AlGaN材料具有比GaN材料更寬的帶隙，在到達平衡時，異質結界面交界處能帶發生彎曲，造成導帶和價帶的不連續，在異質結界面形成一個三角形的勢阱。從圖6中可以看到，在GaN一側，導帶底EC已經低于費米能級EF，所以會有大量的電子積聚在三角形勢阱中。同時寬帶隙AlGaN一側的高勢壘，使得電子很難逾越至勢阱外，電子被限制橫向運動于界面的薄層中，這個薄層被稱之為二維電子氣(2DEG)。

AlGaN/GaN HEMT器件結構如圖7所示。漏源電壓VDS使得溝道內產生橫向電場，在橫向電場作用下，二維電子氣沿異質結界面進行輸運形成漏極輸出電流IDS。柵極與AlGaN勢壘層進行肖特基接觸，通過柵極電壓VGS的大小控制AlGaN/GaN異質結中勢阱的深度，改變溝道中二維電子氣面密度的大小，從而控制溝道內的漏極輸出電流。

審核編輯：湯梓紅