【氮化镓】GaN功率器件在转换器设计中的挑战

I. 引言（INTRODUCTION）

宽带隙（WBG）器件的重要性： 引言部分首先强调了宽带隙（WBG）器件在高频、高效率电力电子技术中的关键作用。这些器件，包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），相较于传统的硅功率器件，具有显著的优势。宽带隙半导体材料的高击穿场强允许设计更薄的漂移区，从而优化器件的特定导通电阻（Rds,on）。此外，GaN的高电子迁移率进一步降低了导通电阻，使得器件尺寸更小，输入和输出电容更低，这有助于实现更快的开关瞬态。

GaN材料特性： GaN作为一种宽带隙半导体，其材料特性在高效率和高频转换器中尤为突出。尽管SiC在高温应用中表现出色，但GaN在高频转换器中的表现更为优越。文章提到，额定电压高达650V的GaN功率器件已经商业化，并且GaN基转换器设计已成为一个热门话题。

GaN功率器件的商业化和挑战： 在设计采用GaN功率器件的电力电子设备之前，了解这些器件的特性以及伴随这类项目所面临的挑战是非常有用的。文章回顾了几篇关于WBG器件特性的综述和调查论文，包括与每种器件相关的益处和设计挑战。此外，文章还提到了一些专注于特定GaN技术或研究方向的综述，而不是涵盖当今所有商业可用设备的全范围。

GaN功率器件的种类： 引言部分还区分了GaN功率器件的两种主要类型：垂直器件和横向器件。垂直GaN器件利用类似于硅和碳化硅同类器件的结构，可以最大程度地利用GaN材料的优越特性。然而，高质量、低成本GaN晶圆的缺乏限制了这些器件的商业化前景。文章还提到了GaN晶圆制造的挑战，包括使用混合气相外延（HVPE）或在诸如蓝宝石等外国材料上进行化学气相沉积（CVD）的方法生产GaN晶圆。

GaN晶圆制造技术： 文章对GaN晶圆制造的不同技术进行了比较，包括HVPE、高温氮压溶液生长（HNPSG）、低压溶液生长配合钠_flux（Na-flux），以及氨热法生长。每种方法都有其自身的挑战，如晶格失配问题、成本和生长速率等。文章通过表格和图形比较了这些方法的成本和生长速率，并指出氨热法生长在生产规模上有望大幅降低GaN晶圆制造的成本。

横向器件的基础结构和商业状态： 引言部分还讨论了横向异质结场效应晶体管（HFETs），也称为高电子迁移率晶体管（HEMTs）。这些器件通常在600-650V的额定电压下运行，尽管制造商已经宣布了更高电压的器件。由于横向异质结结构，这些器件在本质上与MOSFETs不同，并具有独特的特性。文章还提到了如何制造通常关闭（normally-OFF）的GaN HFETs，因为原生的HFETs是耗尽模式（depletion-mode）的，这对于电压源转换器来说是不可取的。

Cascode器件和增强模式（e-mode）器件： 引言部分进一步讨论了Cascode器件和增强模式（e-mode）GaN HFETs。Cascode器件通过共封装耗尽模式HFET与低压e-mode MOSFET来实现通常关闭的功能。而e-mode GaN HFETs通过改变栅极结构来实现正的阈值电压，从而成为增强模式器件。文章还提到了不同的制造商如何通过各种技术实现这一目标。

反向传导行为和动态Rds,on： 引言部分还简要介绍了GaN HFETs的反向传导机制，包括cascode器件中的Si MOSFET体