【技术】GaN HEMT器件特性

时间： 2023-06-01 来源：英诺赛科公众号

硅基半导体经多年发展，性能逐渐接近极限。在进一步降本增效的背景下，第三代半导体——碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)功率器件被寄予厚望。GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)在900V以下应用场景中备受欢迎，可以有效提高开关频率，降低损耗以及提升产品功率密度。

GaN的材料性质

GaN属于宽禁带(WBG)半导体化合物，与Si相比，具有禁带宽度大、高击穿场强、高电子迁移率、高电子饱和漂移速度的特点。禁带宽度大，意味着半导体的电子需要获得更高的能量才能从价带(不导电)跃迁到导带(导电)，从而提高击穿场强与温度稳定性。GaN的击穿场强是Si的10倍，电子迁移率约为Si的1.5倍，可以有效减小“比导通电阻Ron,sp”。换言之，对于相同的导通电阻Rdson，GaN的芯片面积更小，有利于减小器件的寄生参数。电子饱和漂移速度代表电子整体漂移速度随电场增加能够达到的上限，对器件的工作频率有重要影响。GaN的电子饱和漂移速度是Si的2.5倍，可以显著提升器件的工作频率。

GaN HEMT的器件结构

业界GaN HEMT以横向结构为主，从下到上分为衬底(substrate)、缓冲层(buffer)、GaN外延层(epitaxy)与AlGaN势垒层(barrier)。AlGaN势垒层与GaN外延层的界面处发生极化效应，在GaN内形成一层电子，称为二维电子气(2DEG)。2DEG作为天然的导电沟道，使得GaN HEMT保持常开，属于耗尽型(D-Mode)器件。

在电力电子变换器中使用D-Mode器件时，需要在G、S之间加负压关断器件，这会增加驱动电路的复杂性，也带来器件直通的隐患。因此，常关的增强型(E-Mode)器件更符合电路设计的需要。

InnoGaN器件均属于单体型E-Mode GaN HEMT，需要使用正压驱动。InnoGaN在GaN HEMT的栅极下方放置了PGaN层。PGaN使栅极下方的GaN外延层形成耗尽区，阻断了2DEG。随着Vgs的电压逐渐加大，栅极下方的2DEG逐渐恢复，沟道能够导通的电流Ids也越大。当Ids达到指定值时，对应的Vgs称为阈值电压Vth。

InnoGaN HEMT的电气特性

材料特性和器件结构的差异导致InnoGaN与Si MOSFET在电气特性方面有所区别，相关的参数可以体现。

耐压特性

与Si MOSFET不同，GaN HEMT没有雪崩击穿特性。利用GaN击穿场强高的优势，InnoGaN器件对于不同的过压情况，保留了充足的电压裕量。

实际的开关电源中，器件会承受周期性的电压尖峰。InnoGaN以VDS,pulse表示器件承受周期性电压的能力。以650V器件为例，VDS,pulse是指器件可以重复承受脉宽<100ns、峰值为750V的脉冲电压。

此外，雷击、启机或负载切换等偶发事件也可能引起器件的Vds过压。InnoGaN以VDS,transient表示器件承受偶发性过压的能力。650V 器件的VDS,transient达到800V，是指器件可以承受脉宽<200us、峰值为800V单次浪涌电压。在实际测试中，InnoGaN高压器件的单脉冲耐压高达1500V。

开关速度

开关速度主要受Ciss(Ciss=Cgs+Cgd)影响。Ciss越大， Vgs的变化速度越慢，开关速度也越慢。类似规格的InnoGaN与Si MOSFET对比，其Ciss小于Si MOSFET的1/10。减小结电容有利于提高开关速度，降低损耗以及高频化工作。经测试，InnoGaN的导通速度明显更快，有效缩短了Vds与Id的交叠时间，从而降低开关损耗。器件高频化工作可以有效减小电路中电感、变压器以及电容的尺寸，显著提高功率密度。

驱动特性

InnoGaN HEMT 的驱动电平与Si MOSFET存在差异。产品规格书内规定了Vgs的电平范围，保证栅极不被损坏。此外，Vgs决定器件沟道开通程度。由输出特性曲线可见，Vgs越大，沟道开通越充分，器件的通流能力越强。

导通电阻Rdson同时受到Ids和Vgs的影响。Vgs在阈值电压附近时，沟道未充分开通，对于不同的Ids， Rdson存在明显差异。对于650V InnoGaN，当Vgs达到约5.5V时，沟道充分开通，Rdson下降并且对不同的Ids趋于一致。为了获得理想的通流能力与较小的Rdson，应该在允许范围内提高Vgs的电平。对于650V InnoGaN器件，推荐使用5.7V~6.3V电平驱动。对于150V以下InnoGaN器件，推荐使用4.7V~5.3V电平驱动。

反向导通特性

Si MOSFET依靠体二极管实现反向导通。二极管在正向导通到反向截止的过程中，由于电荷储存效应，会流过反向电流，称为二极管的反向恢复。这个过程会带来额外的损耗和噪声，妨碍电路的效率提升和EMI设计。GaN HEMT不存在体二极管，依靠自身沟道实现反向导通，因此避免了反向恢复带来的问题。

对于GaN HEMT而言，当Vgs>Vth时，2DEG恢复，器件正向导通。在器件内部，S极与D极的结构基本对称。当Vgd大于G、D端的阈值电压时，2DEG也会恢复，器件也能导通。G、D端的阈值电压以Vthgd来表示，Vthgd≈Vth。

器件关断时，Vgs=0。外部电流通过Cds建立电压Vsd。当Vsd=Vgd>Vthgd时，器件反向导通，导通压降Vsd=Vthgd+Id*Rdson。若器件使用负压关断，即Vgs<0，则Vgd=Vgs+Vsd，同样当Vgd>Vthgd时反向导通，压降为Vsd=-Vgs+Vthgd+Id*Rdson。

GaN在死区期间能够实现反向导通，与传统Si MOS相比，其导通压降一般会大于2V，相对于Si MOS的反向导通压降会更大，通过利用GaN开关速度快和没有反向恢复的特性，可以减小死区时间，从而达到比Si MOS更小的死区损耗。

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