GaN功率器件及其應用現狀與發展

秦海鴻，董耀文，張　英，徐華娟，付大豐，嚴仰光

(南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106)

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GaN功率器件及其應用現狀與發展

秦海鴻，董耀文，張英，徐華娟，付大豐，嚴仰光

(南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106)

電力電子器件是電力電子技術的重要基礎。現有硅基電力電子器件的性能已經逼近其材料極限，很難再大幅提升硅基電力電子裝置的性能。以氮化鎵為代表的寬禁帶半導體器件比硅器件具有更優的器件性能，成為電力電子器件的研究熱點。介紹了氮化鎵電力電子器件的商業化產品水平和實驗室研究現狀，闡述了其在典型場合中的應用，并剖析了其發展中存在的挑戰。

寬禁帶半導體器件； 氮化鎵； 電力電子技術； 現狀； 發展

電力電子變換器廣泛應用于航空、電動汽車、工業設備和家用電器等眾多領域，其普遍發展趨勢是如何進行高效率的功率變換和如何實現更高的功率密度或功能密度[1]。新一代電力電子變換器面臨著很大的挑戰，要求其具有更高效率、更高功率密度和在高溫環境下可靠工作[2-3]。電力電子器件是電力電子技術的重要基礎，器件的性能對整個電力電子裝置的各項技術指標和性能有著重要的影響。目前，電力電子變換器中普遍采用Si基功率器件，然而硅電力電子器件經過近60年的長足發展，性能已經趨近其理論極限，通過器件原理的創新、結構的改善及制造工藝的進步已經難以大幅度提升其總體性能，不能滿足下一代電力電子變換器高溫、高壓、高頻、高效和高功率密度的要求，逐漸成為制約未來電力電子技術進一步發展的瓶頸之一[2]。基于新型寬禁帶半導體材料的電力電子器件具有更優越的性能，成為功率器件的研究熱點。目前，寬禁帶半導體器件中碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)電力電子器件均已有商業化產品，對寬禁帶器件進行相關應用問題的研究有助于其在更廣闊的領域得到應用。

寬禁帶半導體材料GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大、化學性質穩定等特點。因此，基于GaN材料制造的電力電子器件具有通態電阻小、開關速度快、耐壓高、耐高溫性能好等特點。與SiC材料不同，GaN材料除了可以用于制作器件外，還可以利用GaN所特有的異質結結構制作高性能器件。GaN可以生長在Si、SiC及藍寶石上，在價格低、工藝成熟、直徑大的Si襯底上生長的GaN器件具有低成本、高性能的優勢，因此，受到廣大研究人員和電力電子廠商的親睞。

本文對GaN二極管和GaN HEMT的發展現狀進行了介紹，對其在典型電力電子變換器中的應用現狀進行了探討，并對其在進一步發展中所面臨的挑戰進行了論述。

1　GaN器件研究現狀

1.1GaN二極管

GaN功率二極管包括兩種類型：GaN肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)和PN二極管。GaN肖特基二極管主要有橫向、垂直和臺面3種結構(見圖1)。橫向結構利用AlGaN/GaN異質結結構，在不摻雜的情況下就可以產生電流，但橫向導電結構增加了器件的面積以及成本，且器件的正向電流密度普遍偏小。垂直結構是一般電力電子器件主要采用的結構，可以產生較大的電流，有很多研究機構利用從外延片上剝離下來的厚的GaN獨立薄片做成縱向導電結構的SBD，但是該種外延片缺陷密度高，制造出來的器件雖然電流較大，但是反向漏電流也非常大，導致其擊穿電壓與GaN材料應達到的水平相距甚遠。因此，對于垂直結構GaN SBD的研究主要還是停留在仿真以及改善材料特性階段。臺面結構，也稱為準垂直結構，一般是在藍寶石或SiC襯底上外延生長不同摻雜的GaN層，低摻雜的N-層可以提高器件的擊穿電壓，而高摻雜的N+層可形成良好的歐姆接觸，這種結構結合了橫向結構和垂直結構的優點，同時也具有自身的缺點，其優勢是可以與傳統工藝兼容，將尺寸做得比較大[5]。

圖1　GaN肖特基二極管結構示意圖Fig.1　Structure of GaN Schottky diode

圖2為PN二極管結構示意圖，其襯底為2英寸厚的N++摻雜GaN體，同質外延層通過金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)的方法制造[6]。根據擊穿電壓的不同，N型緩沖層的摻雜濃度范圍是(1～3)×1016/cm3，厚度為5～20μm。目前為止，耐壓為3.7kV的GaN PN二極管已經在GaN體晶片上制作完成[7]；該種器件具有很高的電流密度、較高的雪崩擊穿能量承受能力和非常小的漏電流。

圖2　GaN PN二極管結構示意圖Fig.2　Structure of GaN PN diode

目前，EPC、恩智浦、Avogy、Sanken Electric等半導體公司都在研制生產電壓等級為600V的GaN SBD產品，但商業化的GaN SBD產品種類仍然較少。在GaN二極管商業化方面，Avogy公司走在前列，該公司不僅提供了600V的GaN SBD商用產品，而且1.7kV的PN型二極管也已上市[8]。表1給出了Avogy公司商業化的GaN二極管產品。

表1　Avogy公司的GaN二極管產品

注：URRM為反向重復峰值電壓；If為通態平均電流；IR為反向恢復電流；Qc為總電容電荷。

目前，商業化的GaN SBD的最高耐壓只有600V，0.6～1.2kV耐壓范圍內的GaN SBD仍在小批量試驗階段，估計不久將會有商用產品。在實驗室研究中，藍寶石基底的GaN整流器的擊穿電壓已高達9.7kV，但存在正向壓降較高的問題。另一方面，GaN JBS二極管也在研究中，其應用于0.6～3.3kV的電壓領域，可大大提高GaN功率整流器的性能，但是GaN JBS的接觸電阻問題仍需改善。

1.2GaN高電子遷移率晶體管

在GaN所形成的異質結中，極化電場顯著地調制了能帶和電荷的分布。即使整個異質結結構沒有摻雜，也能在GaN界面形成密度高達(1～2)×1013cm-2，且具有高遷移率的二維電子氣(Two-dimensional Electron Gas, 2DEG)。2DEG溝道比體電子溝道更有利于獲得強大的電流驅動能力，因此，GaN晶體管以GaN異質結場效應管為主，該器件結構又稱為高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)。

常規的GaN HEMT由于材料極化特性，即使不加任何柵壓，在溝道中也存在高濃度的2DEG，使得器件處于常通狀態，即為耗盡型器件，如圖3所示[9]。

圖3　常通型GaN HEMT的截面圖Fig.3　Structure of normally-on GaN HEMT

為了實現關斷功能，必須施加負的柵壓。而在最為常用的電壓型功率變換器中，從安全和節能等角度都要求功率開關為常斷狀態，因此，現在大量研究工作致力于實現增強型GaN HEMT器件。目前，增強型的GaN HEMT已有柵下注入氟離子、金屬氧化物半導體(MOS)溝道HEMT以及P型GaN柵等實現方法，均已獲得擊穿電壓高于600V的器件。由于常通型器件在電壓型功率變換器中并不常用，故生產銷售常通型GaN器件的公司很少，其中，具有代表性的是microGaN公司，其常通型GaN器件MGG1T0617D的參數如表2所示[10]。

擊穿電壓在30～600V 內的常斷型GaN HEMT器件已經商業化。如EPC公司供應30V/9.5A～300V/6.3A 的常斷型GaN HEMT[11]；GaN Systems公司提供耐壓650V的增強型GaNHEMT[12]。常斷型GaN HEMT的典型產品型號及參數如表3所示。

表2　常通型GaN HEMT器件MGG1T0617DD的參數

注：UDS為漏源電壓；RDS(ON)為導通電阻；IDmax為漏極平均電流最大值；UGS(DC)為柵源電壓；UGS(th)為導通閾值電壓；Ciss為等效輸入電容；Coss為等效輸出電容

表3　常斷型GaN HEMT器件型號及其參數

目前，EPC公司的常斷型GaN HEMT器件耐壓最高只有300V，而能生產650V耐壓的常斷型GaN HEMT器件的企業也僅有GaN Systems公司，且規格、種類較少。因此，一種由高壓常通型GaN HEMT和低壓Si MOSFET級聯構成的Cascode結構常斷型GaN HEMT器件受到各大GaN器件生產商的重視，該器件的耐壓目前通常為 600V，其典型產品型號及參數如表4所示[13-14]。

表4　常斷型Cascode GaN HEMT器件型號及其參數

2　GaN器件應用現狀

由于GaN器件比現有Si器件具有更優的器件性能，引起了電力電子變換器研究工作者的興趣。目前研究人員已針對GaN器件在AC/DC、DC/DC變換器、DC/AC電動機驅動器和光伏發電等場合中的應用進行了研究。

2.1GaN器件在AC/DC變換器中的應用

2.1.1Boost型PFC電路Boost變換器是 65W 以上功率等級具有功率因數校正功能的AC-DC變換器最常用的電路拓撲，由于采用Si快恢復二極管和CCM工作模式，反向恢復問題嚴重。圖4給出了開關頻率為100kHz的Boost電路中整流二極管的電壓和電流波形[15]，采用超快恢復Si二極管和Avogy的GaN PN二極管進行對比可見，GaN PN二極管無反向恢復問題，大大改善了電路性能。

圖4　100kHz的Boost變換器中整流二極管的工作狀態Fig.4　Working state of rectifier diodes in10kHz boost converter

2.1.2LED驅動器LED是目前最為重要的照明用具，其可靠工作依賴于高效工作的LED驅動器。在開關頻率為300kHz，額定功率為 20W 的離線式LED驅動器中(見圖5中插圖)，對分別采用相同電壓等級(600V)的GaN SBD、SiC MPS二極管和Si基超快恢復二極管的LED驅動器整機效率進行了對比研究[6]。由圖5可知，與Si基超快恢復二極管相比，GaN SBD應用于LED驅動器時，使整機的效率大大提高；與SiC MPS二極管相比，采用GaN SBD構成的整機在效率上有微小的提升。

圖5　LED驅動器整機的效率曲線Fig.5　Efficiency curve of LED driver

2.2GaN器件在DC/DC變換器中的應用

2.2.1正激變換器正激變換器是最為常用的單端隔離式DC/DC變換器之一，在正激變換器中對GaN場效應晶體管(Field Effect Transistor, FET)和Si MOSFET進行了對比研究。正激變換器的主要技術規格如下：輸入電壓Uin=480V(DC)，輸出電壓Uo=5V，額定輸出功率Po=26W。正激變換器采用第3個繞組去磁方案，副邊采用同步整流，主電路如圖6所示。用于對比的器件如表5所示[11]。

圖6　同步整流正激變換器Fig.6　Synchronous rectifier forward converter

器件類別型號UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM開關管/(mΩ·nC)原邊開SiMOSFETFDS25821504.166.0194.41254290 關管GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副邊同步SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838 整流管GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

注：QG為柵極充電電荷；QGD為柵漏極充電電荷；FOM為器件品質因數

圖7給出了開關頻率分別為300、500kHz時，應用GaN FET和Si MOSFET的正激變換器效率對比。

圖7　GaN FET基和Si MOSFET基正激變換器效率對比Fig.7　Efficiency comparison of GaN HEMT vsSi MOSFET for forward converter

由圖7可知：

(1)開關頻率為300kHz，輕載時，采用GaN FET僅能使正激變換器的效率有微小提升；滿載時，采用GaN FET使正激變換器的效率有明顯提升，盡管電壓定額高些的GaN FET的通態電阻接近于Si MOSFET的2倍。

(2)頻率升高時，采用GaN FET可以明顯提高正激變換器的效率。開關頻率為500kHz時，GaN基正激變換器與Si基正激變換器相比，輕載時的效率提升約5%；滿載時的效率提升約2%。

(3)頻率升高到500kHz時，采用GaN FET的正激變換器效率與 300kHz 相比僅有微小降低，這主要是為保持500、300kHz 下的輸出電流紋波相等，故它們的輸出濾波電感值不同。與500kHz相比，開關頻率為 300kHz 時，輸出濾波電感的直流電阻降低了約5mΩ，體積減小了1/2。若電感值不變，兩個頻率下的效率基本保持不變。

2.2.2反激變換器反激變換器也是最為常用的單端隔離式DC/DC變換器之一，且通常作為多路輸出機內電源拓撲。在反激變換器中對GaN FET和Si MOSFET進行了對比研究。反激變換器的主要規格如下：Uin=48V，Uo=3.3V，Po=13W[12]。反激變換器如圖8所示。用于對比的器件如表6所示。

圖8　反激變換器Fig.8　Flyback converter

器件類別型號UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM開關管/(mΩ·nC)原邊功率管SiMOSFETFDS25821504.166.019.04.41254290GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副邊整流管SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

由表6可見，用于對比的Si MOSFET的通態電阻比GaN FET小50%左右，而GaN FET的柵極電荷比Si MOSFET小。圖9給出開關頻率為300、400kHz，分別應用GaN FET和Si MOSFET時的反激變換器的效率對比。

圖9　GaN FET基和Si MOSFET基反激變換器的效率對比Fig.9　Efficiency comparison of MOSFET vsGaN FET for flyvback converter

由圖可知，在該規格的反激變換器中：

(1)當開關頻率為300kHz時，采用兩種不同功率器件的效率相近；

(2)當開關頻率提高到500kHz時，GaN基反激變換器的效率比 300kHz 開關頻率時降低0.5%左右，而Si基反激變換器的效率下降幅度高達2%。

2.2.3全橋變換器采用全橋變換器的“磚塊型”電源模塊廣泛應用于通信、服務器系統中。以1/8磚電源模塊為例，采用現在最常用的散熱方式，滿載時最大的功耗處理能力是12～14W。若滿載效率為90%，則最大輸出功率為120～140W。如果滿載效率提高2%，則滿載輸出功率可提高160W，增長率為28%。在1/8磚全橋變換器中對Si MOSFET和GaN FET進行了對比研究。1/8磚全橋電路變換器主要技術規格如下：Uin=48V，Uo=12V。全橋變換器副邊采用全橋同步整流電路。圖10給出了采用Si MOSFET和GaN FET的全橋變換器效率和損耗對比[16]。

圖10　采用Si MOSFET和GaN FET的全橋變換器的效率和功率損耗對比Fig.10　Efficiency and power loss comparison of Si MOS-FET vs GaN FET for full bridge converter

盡管采用GaN FET時的全橋變換器的開關頻率(375kHz)比采用Si MOSFET時的開關頻率(250kHz)高50%，但前者效率仍比后者高。在功率損耗相同的情況下，GaN基全橋變換器的輸出功率為200W，比Si基全橋變換器輸出功率(144W)高出近40%。

2.3GaN器件在電動機驅動中的應用

Si IGBT是目前電動機驅動器常用的功率器件，但其存在電流拖尾問題，開關頻率受到限制[17]。對異步電動機驅動系統分別采用Si IGBT和GaN HEMT作為功率器件進行了對比研究。圖11所示為三相異步電動機驅動示意圖。三相橋式逆變器分別采用GaN HEMT 6合1模塊(圖12(a))和Si IGBT 6合1模塊(圖12(b))。

與采用Si IGBT的電動機驅動系統相比，采用GaN HEMT的電動機驅動系統增加了濾波器，如圖12中虛線框所示。由于GaN HEMT的開關頻率可以取得較高，從而可采用較小尺寸的正弦濾波器，進一步減小進入電動機繞組中的諧波電流分量，減小電流損耗。

圖12　采用Si IGBT和GaN HEMT模塊的電動機驅動系統Fig.12　Comparison of Si IGBT and GaN HEMT module in motor drive system

圖13為采用不同器件的電動機驅動器的效率對比。由圖可見，采用GaN HEMT的電動機驅動器和整個驅動系統的效率均比采用Si IGBT的要高；這是由于GaN基電動機驅動器中的正弦濾波器把PWM開關波形中高次諧波對電動機的影響轉移到了濾波器，以較小尺寸的濾波元件和較小的濾波器損耗為代價，大大降低了高次諧波給電動機帶來的額外損耗。在電動機輸出功率相同的情況下，采用GaN HEMT的電動機驅動系統，比采用Si IGBT的電動機驅動系統的效率高約3%。

圖13　電動機驅動器和電動機驅動系統效率對比Fig.13　Efficiency comparison of Si IGBT vs GaN FETfor motor drive and motor drive system

2.4GaN器件在光伏發電系統中的應用

大多數光伏發電系統的前級會采用升壓式直流變換器，以提升后級逆變器輸入電壓的等級，同時使逆變器的輸入電壓穩定，而直流變換器的拓撲一般選擇Boost變換器[18]。在Boost變換器中對GaN FET和Si MOSFET進行了對比研究[19]。Boost變換器的主要規格如下：Uin=15V，Uo=48V，其電路如圖14所示。GaN基變換器和Si變換器參數對比如表7所示。

圖14　Boost變換器電路Fig.14　Boost converter

參數fsw/kHzL/μHCin/μFCout/μFPloss/WGaN基變換器3008.32.85.73.44Si變換器6004.21.53.03.29

注：fsw為開關頻率；Cin為輸入端電容；Cout為輸出濾波電容；Ploss為功率損耗

圖15為采用不同功率器件的變換器的效率及功率損耗對比。由圖可知，Si基和GaN基變換器的功率損耗和最大輸出功率能力相近，但GaN變換器的體積更小，功率密度更高。

圖15　GaN基與Si基變換器的效率及功率損耗對比Fig.15　Efficiency and power loss comparison of SiMOSFET vs GaN FET for boost converter

3　GaN功率器件發展道路上的挑戰

盡管目前GaN功率器件已取得了長足進步且逐步進入市場，但其依舊存在許多不可忽視的問題，要真正取代Si基器件成為市場主流，仍存在很大的挑戰。

(1)材料生長方面。高品質的外延材料是GaN基功率器件的技術核心。與Si相比，SiC和藍寶石晶格失配更小，且熱導率更低，對于大功率器件而言，這些都是不可或缺的優點[20]，但其成本過高，很難商業化。雖然Si與GaN的晶格失配較大，但其成本低廉，故硅襯底依舊是目前GaN基功率器件的主流技術；并且，由于其異質結構，GaN功率器件以橫向結構偏多，盡管這使其在高頻領域得到了青睞，但也限制了它的大功率特性，目前的共識是GaN更適合應用于中低壓高速開關領域(<1.2kV)，如功率因數校正器(PFC)、光伏逆變器等。

(2)器件技術方面。主要存在3個問題：① 提高耐壓。這是制作功率器件首先要考慮的問題，一方面這與GaN本身的材料特性有關，另一方面也與器件結構、襯底質量等因素密切相關。目前，提高器件擊穿電壓的方案主要集中在改進襯底結構、改進緩沖層結構和改進器件結構3個方向[21]。② 制作常斷型(增強型)器件。與耗盡型器件不同的是，常斷型器件在不加柵壓時保持常斷狀態，這對于以電壓型變換器為主的電力電子裝置而言意味著可以確保系統安全可靠工作，提高系統穩定性。目前業界普遍采用槽柵[22]、p-GaN柵[23]或P-AlGaN柵和氟離子注入等方法直接實現常斷型[21]。③ 電流崩塌效應抑制。電流崩塌，即在漏極電壓較大且開關頻率較高時，漏源間導通電阻大大增加的現象[24]。目前抑制電流崩塌的方法主要有[25-30]表面鈍化處理、采用場板結構、生長P型帽層和勢壘層摻雜。另外，采用級聯結構的GaN器件也可以抑制電流崩塌現象，但這不屬于GaN自身結構的改善，且其應用受到低壓Si MOSFET的限制。

4　結　語

電力電子器件的發展推動著電力電子技術的不斷發展，促使電力電子裝置不斷提高性能。寬禁帶半導體材料GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大、化學性質穩定等特點，使得GaN基電力電子器件具有通態電阻小、開關速度快、耐壓高、耐高溫性能好等優點，在電力電子、微波通信、光伏逆變、照明等應用領域具有Si材料無法企及的優勢，有著重大的戰略意義，相信在不久的將來GaN作為第3代半導體材料中的優秀代表會得到更廣泛的應用。

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[27]ALEXEWICZ A，ALOMARI M，MAIER D，et al.Current collapse reduction in InAlGaN/GaN high electron mobility transistors by surface treatment of thermally stable ultrathin in situ SiN passivation[J].Solid-State Electronics，2013，89(11)：207-211.

[28]SAITO W，KAKIUCHI Y，NITTA T，et al.Field-plate structure dependence of current collapse phenomena in high-voltage GaN-HEMTs[J].IEEE Electron Device Letters，2010，31(7)：659-661.

[29]HASAN M T，ASANO T，TOKUDA H，et al.Current collapse suppression by gate field-plate in AlGaN/GaN HEMTs[J].IEEE Electron Device Letters，2013，34(11)：1379-1381.

[30]KATSUNO T，KANECHIKA M，ITOH K，et al.Improvement of current collapse by surface treatment and passivation layer in p-GaN gate GaN high-electron-mobility transistors[J].Japanese Journal of Applied Physics，2013，52(4)：04CF08.

Development and Application of Gallium Nitride Power Devices

QIN Haihong，DONG Yaowen，ZHANG Ying，XU Huajuan， FU Dafeng，YAN Yangguang

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, College of Automation Engineering, Nanjing 211106, China)

Power electronic devices are an important basis for power electronic technology.After a long period of development, silicon based power devices exhibit unavoidable physical limitations in improving performance of silicon based power converters.On the other hand, gallium nitride based devices have better performance due to their outstanding properties, and become a new trend in developing power electronic devices.This paper presents reviews the recent progresses in the commercial and experimental developments of gallium nitride based power semiconductor devices, and their applications.Moreover, a forecast of applications of wide-bandgap power semiconductor in the future power electronic device market is given.

wide-bandgap semiconductor device; gallium nitride(GaN); power electronic technology; present situation; development

2016-06-15

教育部博士點基金資助項目資助(20123218120017)；中央高校基本科研業務費專項資金項目資助(NS2015039；NJ20160047)；江蘇高校優勢學科建設工程項目資助

秦海鴻(1977-)，男，副教授，博士，主要研究方向為寬禁帶功率器件應用技術、功率變換技術、電機控制，

E-mail：qinhaihong@nuaa.edu.cn

2095-0020(2016)04-0187-10

TN 386

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