一、氮化鎵之起源

通常，Ga面極性的GaN 晶體是通過有機金屬化合物化學(xué)氣相淀積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）生長，而 N 面極性的 GaN 晶體是通過分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）在一定的條件下獲得。

GaN因成為PD快充小型化的黑科技而被公眾所熟知，但GaN器件因其卓越的物理材料特性以及超級穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，早已在其他應(yīng)用領(lǐng)域中默默奉獻了數(shù)十載。

自從1928年，Johason等人首次合成了GaN，1960年才生長出單晶薄膜，直到1993年，美國南卡萊羅納大學(xué)的Khan成功地在藍寶石襯底上制造出[敏感詞]AlGaN/GaN HEMT。截止目前，其發(fā)展歷程總結(jié)歸納為三個里程碑時期：

LED照明、GaN射頻器件、GaN功率器件

LED：自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍光 LED之后，GaN已是現(xiàn)今半導(dǎo)體照明中藍光發(fā)光二極管的核心材料，被廣泛應(yīng)用到照明、顯示等領(lǐng)域。

GaN射頻器件：與Si、GaAS相比，GaN微波射頻器件具有高輸出功率、高效率、高頻率、大帶寬、可高溫環(huán)境工作、抗輻照能力強等優(yōu)良特性，是迄今為止100GHz范圍內(nèi)最為理想的微波功率器件，因此在[敏感詞]、通訊和太空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。如今，反彈道導(dǎo)彈雷達和美國空軍用來追蹤空間碎片的雷達系統(tǒng)“太空籬笆”也使用了GaN射頻器件。

GaN功率器件：GaN器件最初被開發(fā)用于射頻應(yīng)用，隨著材料和器件制造技術(shù)的進步，GaN 功率器件開始成為Si功率器件的潛在替代品，目前已實現(xiàn)650V、900V電壓級別的工業(yè)化及商業(yè)化應(yīng)用。

在介紹GaN器件的發(fā)展歷程中，不得不提GaNext的創(chuàng)始人——吳毅鋒博士，他幾乎伴隨、引領(lǐng)并推動了整個GaN器件行業(yè)的發(fā)展歷程。在GaN射頻器件和功率器件潛心耕耘近30年，他是GaN射頻器件功率密度的世界紀(jì)錄保持者，并率先攻克了GaN高壓功率器件設(shè)計和量產(chǎn)難題，成功開發(fā)并量產(chǎn)全球首批650V和900V商用GaN功率器件。

前后發(fā)明原始專利112項，發(fā)表專業(yè)科技文章250余篇，文章被引用超過17,000次。吳博士因此也當(dāng)選IEEE Fellow（國際電氣電子工程師協(xié)會 會士），是GaN產(chǎn)業(yè)界[敏感詞]一位Fellow。

非常感謝吳毅鋒博士把先進的GaN技術(shù)和經(jīng)驗帶回國，也相信擁有國際領(lǐng)先的GaN技術(shù)以及本土化的生產(chǎn)及營銷模式的GaNext（珠海鎵未來科技有限公司）可以更好的服務(wù)國內(nèi)各行業(yè)客戶。

GaN 功率器件的結(jié)構(gòu)圖

N型Si MOSFET 的結(jié)構(gòu)

GaN功率器件是通過二維電子氣（2DEG）來實現(xiàn)導(dǎo)通的，而MOSFET則是通過反型層溝道實現(xiàn)導(dǎo)通。由于2DEG具有更高的電子密度和電子遷移率，因此，GaN功率器件具有更低的Rds(on) 和Coss，即導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗有很大改善，尤其在高頻工作模式下尤為顯著。

也因柵極下方存在二維電子氣溝道的緣故，GaN 器件的天性就是在Gate極在未施加電壓時，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，即Normally on——常開型。常開型模式對于GaN射頻器件影響不大，但做為功率器件是無法被接受的，因此市場上出現(xiàn)了不同的技術(shù)路線把Normally on的模式變成Normally off的模式，在下期會著重介紹GaN 功率器件的不同技術(shù)路線。

2DEG一般容易在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲得，目前主流的異質(zhì)襯底功率器件均采用AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)，通過異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生的兩種不同禁帶寬度材料極化效應(yīng)在交界面的壓電效應(yīng)，故而形成2DEG導(dǎo)電。

再通俗易懂些，即可理解為：

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是GaN功率器件特有的結(jié)構(gòu)。極化效應(yīng)（自發(fā)極化/壓電極化）顯著調(diào)制了 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布，即將AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的GaN導(dǎo)帶拉低至費米能級之下，同時寬帶隙AlGaN一側(cè)的高勢壘，使得電子很難逾越至勢阱外，最終使得電子被束縛在 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面靠近GaN一側(cè)的“三角形”電子勢阱中， 從而實現(xiàn)高密度、高電子遷移率、高電子飽和速度的二維電子氣。

二維電子氣導(dǎo)電的優(yōu)勢：二維電子氣溝道導(dǎo)電性極強，因此GaN功率器件可實現(xiàn)低導(dǎo)通/開關(guān)損耗、高工作頻率和高功率密度等特性。

GaN器件與傳統(tǒng)的Si MOS不同，由于其不存在PN結(jié)，所以幾乎不存在反向恢復(fù)電荷Qrr ，使得開關(guān)損耗顯著減小。而Si MOSFET由于存在體二極管，正向?qū)Ｊ綍r存儲了大量少數(shù)載流子，而少數(shù)載流子使得Si MOSFET的反向恢復(fù)特性很差，需要很大的反向恢復(fù)電荷和時間來中和少數(shù)載流子。

1).GaN功率器件 vs Si MOSFET

Si MOSFET的Qrr是GaNext的GaN FET的28.6倍。在排除Qoss之后，GaN反向恢復(fù)電荷Qrr為零，因此非常適合電流連續(xù)模式硬開關(guān)電路，比如圖騰柱無橋PFC、高壓同步整流等?？梢赃M一步提高開關(guān)頻率，減少磁性器件的體積，從而提升功率密度。

2). GaN另一個特點是反向恢復(fù)特性穩(wěn)定，不隨溫度變化。

將器件結(jié)溫由25°C室溫加熱至125°C高溫的過程中，反向恢復(fù)電流始終保持恒定。與之相反，Si MOSFET的反向恢復(fù)電流在125°C時增長超過一倍。因此，GaN在高溫下依然能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)性能，這保證了GaN功率器件在不同溫度、電流以及開關(guān)速度下均能保持極小的開關(guān)損耗，有助于GaN應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

在近幾年時間里，作為第三代半導(dǎo)體之一的GaN，從PD行業(yè)開始迅速發(fā)展，逐漸拓展到通訊、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心電源、戶外儲能、光伏等應(yīng)用領(lǐng)域。GaN的應(yīng)用可提升轉(zhuǎn)換效率和提高功率密度，這對于注重能效，節(jié)能減排的今天，有著至關(guān)重要的意義。

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