功率GaN的多種技術路線簡析

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）功率GaN的大規模應用，其實也只有六七年的歷史，從2018手機快速充電器上才正式吹響了普及的號角。目前，從晶體管來看，功率GaN主要的產品是HEMT（高電子遷移率晶體管）。另一方面，功率GaN的技術路線從不同的層面看還有非常豐富的種類。

器件模式

功率GaN FET目前有兩種主流方向，包括增強型E-Mode和耗盡型D-Mode。其中增強型GaN FET是單芯片常關器件，而耗盡型GaN FET是雙芯片常關器件（共源共柵Cascode結構）。

E-Mode的GaN器件在沒有施加門極電壓時，器件處于關斷狀態，需要施加正向門極電壓來打開器件。這種器件具有較好的開關特性，適用于高頻率、高效率的應用，例如DC-DC變換器、LED驅動器等。不過E-Mode GaN器件的柵極可能存在穩定性和漏電流的問題，可能會影響器件的可靠性和性能。

Mode的GaN器件在沒有施加門極電壓時，器件處于導通狀態，需要施加負向門極電壓來關閉器件。這種器件具有較好的線性特性和較低的開關損耗，適用于一些需要高精度控制和低噪聲的應用，比如音頻放大器、射頻功率放大器等。而由于D-Mode GaN器件采用了Cascode結構，可靠性更高，在高功率、高電壓、大電流應用中，這種器件適用性更高，比如在電動汽車、工業等應用上。但另一方面D-Mode的封裝復雜度會增加，開關頻率也因此受到限制。

從主要的玩家來看，英飛凌（以及剛收購的GaN Systems）、EPC、英諾賽科、納微半導體、松下、量芯微等主要是走E-Mode路線；而Transphorm、PI、TI、安世、鎵未來、華潤微（潤新微）等主要走D-Mode路線。

外延襯底材料

因為GaN襯底制備難度大，價格高昂，因此目前GaN一般都是在異質襯底上進行外延，再在外延片上制作器件。功率GaN器件的襯底主要有SiC、Si、藍寶石這三種，其中GaN on SiC主要在射頻領域用于功率放大器，GaN on Sapphire則主要用于LED領域。

而電源領域的GaN開關器件主要是Si和藍寶石襯底。在GaN功率開關產品上，大多數廠商都是基于Si襯底制造的，這是因為Si襯底價格較低，且能夠與現有硅晶圓產業鏈很好地兼容。

目前業內大規模出貨GaN on Sapphire 功率GaN器件的廠商主要是Transphorm，去年Transphorm推出了業界首款1200 V GaN-on-Sapphire器件仿真模型，這也是業界唯一一款1200 V GaN-on-Sapphire功率器件。

另外國內致能科技也在近期成功在6英寸藍寶石襯底上實現了1700V GaN HEMTs器件，并在IEEE Electron Device Letters期刊發表相關研究成果。

平面型和垂直型

垂直GaN中“垂直”是指器件的結構，簡單可以理解為器件中陽極和陰極相對的位置，目前大多數硅基GaN器件是平面型結構，即陽極和陰極處于芯片同一平面上，導通電流在器件中橫向流動；而垂直型GaN一般是基于GaN襯底，GaN襯底底面為陰極，陽極則位于上方，導通電流是豎向流動。

相比橫向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN襯底同質外延層，具有更低的位錯密度，器件可靠性高，性能也更高。而具體到器件上，GaN二極管和晶體管都能采用垂直結構。

由于器件結構上的優勢，在相同的器件面積下，可以通過增加位于晶體管內部的漂移層（用于傳導電流）的厚度，來提高電壓等級，能夠用于更高電壓的應用中；同時，電流導通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度。

另外，垂直結構能夠更容易產生雪崩效應，在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化柵源二極管發生，隨后導致雪崩電流增加柵源電壓并且溝道打開并導通。這是一種設備自我保護的重要屬性，如果器件兩端電壓或導通的電流出現峰值，擁有雪崩特性的器件就可以吸收這些電涌并保持正常運行，在工業領域有很大的應用空間。

目前，業內在垂直GaN器件上商業落地進展最快的大概是美國Odyssey 公司，該公司在去年第一季度宣布已經向客戶提供樣品，而最快在2023年第四季度之前還將會提供更多樣品。