氮化镓晶体管GaN的概述和优势

元件

　　35年多来，功率MOSFET一直在低功率到中功率范围内的功率转换器设计领域占据主导地位。这得到了元件结构和相关半导体技术不断创新的支持。快速开关特性和低损耗以及各种电路拓扑结构的易用性也有助于它们的成功。然而，在新千年即将来临之际，硅功率MOSFET正在达到其理论性能极限，这意味着电源和电源管理系统的进一步发展将不再像这些开关元件那样容易实现。
　　电源单元设计的当前趋势是关注更高的效率和功率密度，这超出了硅MOSFET技术的能力。开发工程师需要能够满足这些要求的新型开关设备。因此，开始了氮化镓晶体管（GaN）的概念。
　　HD-GIT的概述和优势
　　松下混合漏极栅极注入晶体管（HD-GIT）是常关型GaN-on-silicon晶体管（图1）。

　　图1.正常关闭
　　它们基于HEMT原理，使用在AlGaN-GaN异质结处形成的高度移动的2D电子气体作为导电层。晶体管的有源部分在顶侧完成，具有（欧姆）漏极和源极接触，凹陷的p-GaN栅极（欧姆接触）和连接到漏极的p-GaN“栅极”结构。出于成本原因，晶体管通过MOCVD工艺生长在6英寸硅晶片的顶部。为了减小由Si和GaN的不匹配晶格引起的拉应力，限制垂直漏极 - 基板泄漏电流并防止导电Si衬底中的深度击穿路径，在两者之间插入晶格缓冲层（图2）。硅体和晶体管的有源顶侧。

　　图2.格缓冲区
　　该缓冲器在确定晶体管的关键可靠性特性中起着重要作用，这将在下面进一步展开。晶体管开启。像场效应晶体管一样，通过施加高于resp的栅极 - 源极电压。低于阈值电压。在关断状态下，p-GaN栅极通过提升AlGaN-GaN结的电位来耗尽下面的电子气。在导通状态下，栅极的行为基本上类似于二极管。与MOS晶体管不同，通过穿过AlGaN势垒的电子将小的（大约10mA）电流从栅极注入到导电层中。由于GaN材料中的空穴速度低，AlGaN-GaN界面处的电流传导仅仅是由于电子气，因此在这方面晶体管基本上应理解为单极器件。
　　由于可以直接访问HD-GiT门，因此可以设计门电路来控制和调整晶体管的du / dt和di / dt - 与共源共栅相比，这是一个主要优势。
　　GiT的横向结构对于快速切换也是有利的，因为其寄生电容通常低于垂直结构的寄生电容，例如基于硅的超结MOSFET（参见图3）。

　　图3. GiT与MOSFET的比较
　　没有恢复损失的逆向条件
　　一旦源极，栅极和漏极电位设置为在栅极处馈入电流的方式，X-GaN GiT晶体管允许电流沿相反方向流动。与MOSFET不同，反向电流不会流过寄生体，而是通过通道传导。即使它们让人联想到二极管，静态IV曲线的第三象限中的阈值也不是由结的行为决定的，而只是晶体管的阈值电压加上施加到栅极的任何负偏置电压。以与MOSFET相同的方式，GiT可以反向接通，以便通过在0V偏移条件下工作来进一步降低损耗。GiT从反向传导中恢复得非常快。恢复能量实际上恰好对应于对输出电容充电所需的能量。反向模式下GiT的导通和恢复性能与SiC肖特基二极管相同（见图4）。

　　图4. GiT反向恢复行为

　　图5.与GIT相比，Panasonic的新HD-GIT - 横截面
　　电子俘获和电流崩塌在没有特定技术对策的情况下，GaN GiT晶体管遭受电子俘获问题。一般而言，这些效应与晶体管中的负电荷区域的积累有关。这是由于晶体缺陷和/或层表面的电子俘获引起的，导致晶体管中电场的非最佳重新分配并干扰2D气体中电荷载流子的流动。
　　两种诱捕效应似乎在GiT中占主导地位，可能导致不同的破坏机制。具体地，可以理解，对负区域的构建贡献最大的陷阱是i）在漏极到衬底区域中的缓冲层中的深陷阱，出现在高Vds应力下和ii）位于AlGaN表面的陷阱，捕获半导通状态下硬开关条件下穿过AlGaN势垒的热电子（图6）

　　图6.松下与GIT比较的新HD-GIT - 性能
　　第一个结果：当漏极 - 源极电压施加到某个阈值以上时 - 取决于器件特性，对于我们在这里写的晶体管，有点高于500V - “电流崩溃”，从应用角度来看Rds（晶体管的on）在开关周期后增加开关周期，直到达到饱和值。这种效应，也称为动态Rds（on），通常会导致热击穿对晶体管的快速破坏（图6）。
　　第二个结果：在硬切换条件下在“半导通”状态下捕获在AlGaN层表面的热电子被怀疑会触发正的破坏性反馈回路，这将导致漏极侧的电场由于被捕获而增加电荷在AlGaN表面引起更多俘获，导致电场等进一步增加，直到器件发生故障。
　　松下的HD-GiT结构解决了目前的崩溃问题
　　到目前为止，松下一直是唯一一家公开宣布完全消除当前崩溃问题的GaN元件供应商。图5和图6显示了松下解决问题的独特方法。类似于栅极的附加p掺杂结构在漏极附近生长并与其电连接。该结构在GaN组件中注入空穴，其与被捕获的电子重新结合并减少器件中的最大电场，从而导致更少的陷阱。
　　HD-GiT使用凹陷栅极，以便增加AIGaN层的厚度，以避免在靠近漏极的p掺杂区域下电荷载流子的耗尽。HD-GiT被证明具有与传统GiT结构相同的出色开关特性。一般来说，GaN晶体管的失效机理在过去十年中已经得到了密切的研究，并在许多论文中进行了讨论。现在让我们回顾松下X-GaN晶体管可靠性的最重要方面。
　　可靠性
　　为了保证HD-GiT晶体管在批量生产中的可靠性，Panasonic不仅测试了通常的JEDEC Si元件标准，还开发了自己的额外GaN特定测试，以保证晶体管的长期稳定性，关于当前崩溃的例子。加速寿命测试表明，最坏的情况是已经可以实现优于~10 FIT的FiT速率。电子俘获和电流崩溃。

　　图7.击穿电压的额外余量
　　寿命终止测试
　　GiT晶体管中的寿命终止机制似乎通过所谓的渗透退化模型很好地建模，其中沿着泄漏电流路径的缺陷随时间的累积最终产生将导致时间依赖性击穿的导电路径。通过将物理模型与高温反向偏压（HTRB）条件下的晶体管故障的Weibull曲线进行比较，证明HD-GiT晶体管的寿命与p漏极漏电流有关。根据这种理解，调整了松下X-GaN晶体管中晶格缓冲层的厚度，以限制p漏极与衬底的泄漏，旨在实现10年运行时失效率小于0.1％（Vds = 480V和Tj = 100℃）。
　　因此，HTRB测试是评估XGaN晶体管寿命的最关键测试之一。因此，它采用了10，000个晶体管，取自20个不同的批次，远远超出了JEDEC的要求。累计对应于10亿个设备和小时等效操作的数据。在测试期间没有观察到故障，证明松下设定的所述10个FiT目标已经达到开始批量生产的最低可接受水平。
　　应用的稳健性
　　除了对影响器件固有可靠性和寿命的关键因素进行大量测试外，Panasonic X-GaN晶体管还通过设计提供稳健性，有助于应用电路的安全设计。第一个显而易见的方面是X-GaN正常关闭晶体管，这里没有进一步的评论。还有更多。。。。。。
　　二极管门，不破坏
　　处于导通状态的HD-GiT晶体管的栅极表现得像二极管。这意味着在栅极电压尖峰的情况下不会有击穿破坏。栅极噪声将被二极管钳位并“吸收”为瞬态峰值电流。
　　因此，通过设计确保了门电路的安全性。与实现不同栅极接触概念的其他器件相比，这是一个显着的优点，其将栅极信号强制保持在导通状态的非常窄的电压范围内，并且对过电压击穿非常敏感。HD-GiT的成本非常低：在正常导通条件下栅极吸收的小栅极注入电流通常会导致栅极损耗约为10mW，从效率的角度来看，这是可以忽略的。系统。
　　击穿电压的额外保证金
　　与MOSFET不同，GiT的横向结构没有能够雪崩并将电压尖峰钳位在额定击穿之上的结。然而，GaN材料的宽带隙特性允许设计具有高击穿电压的小裸片。因此，为了保证晶体管的故障安全操作，例如在线路浪涌的情况下，松下X-GaN器件的设计具有很大的漏极 - 源极击穿极限。实际上，当前可用的符合600V操作的晶体管的静态场依赖击穿电压在900V至1kV的范围内（图7）。作为副作用，它允许X-GaN晶体管在Vds尖峰电压额定值为750V（1微秒）时获得认证。垂直场依赖击穿也在相同的1kV范围内;
　　松下栅极驱动器IC
　　松下于2016年底为希望使用GiT快速部署解决方案的开发人员推出了自己的X-GaN栅极驱动器。X-GaN驱动器IC针对高达2 MHz的高开关频率进行了优化，并提供了解锁晶体管全部性能的简便方法。除了优化的栅极控制端子外，还提供了额外的集成功能 - 例如用于（可选）产生负栅极电压的电荷泵，或针对欠压和栅极振荡的安全功能（图8）。

　　图8. x-GaN栅极驱动器SC
　　应用优势
　　松下的GiT晶体管针对~100W至~5-6kW范围内的功率转换器，目前通常使用600V至650V的MOSFET。根据应用程序的要求，开发人员可以针对最高效率，最大功率密度或两者之间的折衷。
　　由于其“0反向恢复”行为，GaN晶体管使得一些拓扑实际上可用，例如图腾柱PFC，其需要比传统设计更少的部件并且展现出最先进的效率性能。增加的开关频率使无源元件小型化 - 特别是磁性元件 - 而诸如谐振DC-DC转换器的电路的功率密度可以增加。
　　最后但并非最不重要的是，GaN在松下使用的这种类型的谐振电路中的部分负载操作下显着提高了效率，并在高度紧凑和高效的AC-DC演示单元中展示了这些功能（图9）。

　　图9. AC-DC演示装置
　　IT，电信服务器和AC适配器等电源应用在短期内应从中受益最多。汽车行业也表现出对在中期内能够在车载充电器或DC-DC中使用这些组件的重大兴趣。

原作者：Francois Perraud 电子技术速递

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