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GaN是常用半导体材料中能隙最宽、临界场最大、饱和速度最快的材料。此外，AlGaN/GaN异质结构的自发压电极化产生二维电子气(2DEG)，在没有掺杂的情况下具有高迁移率和高沟道密度。这些因素有助于最小化导通电阻(RON)，横向GaN器件结构具有极小的寄生电容和开关电荷，可以实现非常高的频率工作。

GaN是一种宽带隙(WBG)材料，带隙为3.4 eV(Si为1.12 eV，4H-SiC为3.2 eV)，这使得GaN能够在更高的温度下工作，从而提高了使用GaN HEMT的转换器的潜在功率密度。GaN的导热系数为2.0 W/cmK，介于Si的导热系数1.5 W/cmK和4H-SiC的导热系数4.9 W/cmK之间。

GaN的3.3 MV/cm的高击穿电场比Si的0.3 MV/cm的高11倍。这意味着GaN层可以比Si薄11倍，并且仍然可以承受相同的电压，GaN层将具有更低的电阻率，从而有助于降低RON。GaN的高沟道迁移率(高达2000 cm2/V s)和高饱和率(2.5 × 107 cm/s)也有助于降低RON。

▍水平d型氮化镓和e型氮化镓

在横向GaN HEMT中，栅极、源极和漏极都在顶部，栅极在al GaN层上，源极和漏极通过AlGaN层与下面的2DEG欧姆接触，这是产生电流的地方。

在D型和E型HEMT中，较高电压的器件在漏极和栅极之间具有较大的间隔。d型GaN器件通常是导电的，电流在漏极和源极之间流动，但没有电势施加到栅极。使用d-GaN器件时，必须在电源转换器开启之前关闭开关，以避免启动期间发生短路。在功率转换应用中，D型GaN HEMT不能用作独立开关。

来源:奥德赛Semi

功率转换器中使用的GaN HEMT必须是常关器件，以确保安全操作:如果栅极驱动器被关断或发生故障，并且其输出为零，则HEMT必须被关断。不修改D型GaN结构，这是不可能的。两种常见的解决方案是:

p-GaN或p-AlGaN层放置在栅极和AlGaN/GaN异质结构之间。p型层有效地耗尽了VGS = 0的2DEG，导致器件常关。这种方法被称为e-GaN。

使用一对级联器件，包括d-GaN HEMT和低压Si MOSFET。使用Si MOSFET来开启和关闭组合器件是有利的，而GaN HEMT提供高电压和低RON操作。

来源:GaN系统公司

▍级联GaN

级联结构将高压d-GaN HEMT(例如600V)和低压Si MOSFET(通常为30V器件)封装在一起，实现增强模式操作。Si MOSFET用于开启和关闭GaN HEMT，RON或反向恢复电荷(QRR)的增加最小。与单独的GaN器件相比，当600V GaN器件与Si MOSFET结合时，RON增加不到5%。QR的增加更低，复合结构的QRR比与高压HEMT相同额定值的高压Si MOSFET低一个数量级左右。

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级联器件的效率和热特性与e-GaN器件相似。然而，级联结构具有坚实可靠的硅介质栅结构，其有效栅额定值高达20 V，这使得它与标准和低成本的栅驱动器ic兼容。

级联设备通常用于高电压、高电流和高功率应用，例如汽车系统。使用符合AEC-Q101标准的Si MOSFET可以简化级联设备的汽车认证。相对较高的4V阈值电压可将高dv/dt或di/dt引起的意外导通的可能性降至最低，并将击穿风险降至最低。

用于高压的▍ v-GaN

虽然现在的GaN FET采用的是横向结构，但是大部分硅(Si)和碳化硅(SiC)功率器件采用的是纵向结构，采用杂质掺杂来制造器件的横向结构。GaN FET制作在硅片上，相对便宜，尺寸大，有助于将d-GaN和e-GaN器件的成本降到最低。

在硅上生长氮化镓的一个缺点是氮化镓层中的晶体缺陷增加，可能达到108 cm-2甚至更大。这些缺陷降低了器件的高电压能力，并将横向GaN器件限制在900V或更低。

在大多数电源或电池供电的应用中，额定电压为900V或更低的器件就足够了，水平GaN器件解决了非常大的市场。对于更高电压的应用，目前使用Si和SiC器件，而新兴的v-GaN技术则针对要求器件额定电压为1kV及以上的应用。

v-GaN器件需要大块GaN衬底。因为漂移区和衬底都是GaN，所以缺陷密度需要比在Si衬底上生长的横向GaN的缺陷密度低得多。v-GaN结构的缺陷密度约为103 ~ 105cm-2，比横向结构低1000 ~ 10000倍。v-GaN器件结构的低缺陷密度将转换成高达10kV或更高的额定电压。

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目前，尺寸大于100毫米的块状GaN衬底是不可获得的，这显著增加了v-GaN器件的成本。然而，v-GaN器件的管芯尺寸比SiC器件小得多，这有助于缩小成本差距。更大块GaN衬底的可用性将是降低v-GaN功率晶体管成本的关键之一。这也将是未来采用这种新技术的关键，以实现更小、更低成本的无源器件的更高频率以及v-GaN功率转换器的预期更高效率。

▍摘要

GaN HEMT的优异性能部分源于其材料特性，包括宽禁带、临界场、饱和速度等。GaN器件具有非常小的寄生电容和开关电荷，并且可以实现非常高的频率操作。

目前有很多GaN解决方案，包括分立e模式GaN晶体管、低压Si MOSFET级联结构的d模式高压GaN器件等。，并且随着v-GaN器件的出现，预计GaN的工作电压将从目前的600 V到900 V提高到10 kV或更高。

*本文编译自power electronics Tips @ Jeff Shepard

*参考来源:

https://www . powerelectronictips . com/what-is-d-gan-e-gan-and-v-gan-power-FAQ/

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