【導讀】氮化鎵功率半導體器件毫無疑問是目前電力電子領域中非常火熱的一個話題。當今占主導有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化鎵晶體管。當人們面臨選擇時，有時會難以言明地傾向于使用增強型晶體管。而事實上，Normally-off D-mode在性能、可靠性、多樣性、可制造性以及實際用途方面都是本質上更優(yōu)越的平臺。這之中的原因在于Normally-off D-mode能夠充分利用氮化鎵材料本身優(yōu)勢。
常閉耗盡型 (D-Mode) 與增強型 (E-Mode) 氮化鎵晶體管本質優(yōu)勢對比之簡短指南
氮化鎵功率半導體器件毫無疑問是目前電力電子領域中非常火熱的一個話題。當今占主導有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化鎵晶體管。當人們面臨選擇時，有時會難以言明地傾向于使用增強型晶體管。而事實上，Normally-off D-mode在性能、可靠性、多樣性、可制造性以及實際用途方面都是本質上更優(yōu)越的平臺。這之中的原因在于Normally-off D-mode能夠充分利用氮化鎵材料本身優(yōu)勢。
氮化鎵中的大自然饋贈：二維電子氣 (2DEG)
氮化鎵晶體管的成功很大程度上歸功于一個關鍵的自然現(xiàn)象：2DEG溝道。2DEG是在GaN和AlGaN薄層界面處自發(fā)形成極其快速的導電通道。其自發(fā)存在的電子濃度是半導體材料中可達到的最高之一。除此之外，它還可提供兩倍于最先進的硅基或碳化硅晶體管的電子遷移率—高達2000 cm2/V?s。因此，二維電子氣有著非常可觀的低電阻—電容品質因數(shù) (low resistance-versus-capacitance figure of merit) 及創(chuàng)紀錄的高效率。
每一個氮化鎵功率器件都源自耗盡型器件
圖1展示了一個橫向 (lateral) 氮化鎵功率晶體管的原型結構—這幾乎是當今市面上所有氮化鎵器件的結構。AlGaN/GaN層通過沉積在被精心設計的緩沖層隔開的硅襯底上以實現(xiàn)高材料質量及阻斷電壓。溝道與漏極 (Drain) 及源極 (Source) 接觸從而使電流通過。而調制電流的柵極 (Gate) 位于漏源之間并通過電介質層隔離來取得低漏電與高穩(wěn)固性。場板 (Field-plate) 結構被設計用來取得最佳的電場散布及高可靠性。
圖1 氮化鎵功率晶體管之完善體現(xiàn)—耗盡型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT)
歸功于材料本性，在AlGaN/GaN界面處會自發(fā)形成2DEG溝道，而無需外部施加柵極電壓。意味著器件是常開型的，若想要耗盡溝道電子從而關閉它則需要給柵極加負偏壓—這就是耗盡型器件。然而，電力電子系統(tǒng)往往需要常閉型器件來實現(xiàn)故障安全操作。
那么這就有個問題：如何讓橫向的氮化鎵高遷移率晶體管 (簡稱HEMT) 變成常閉型呢？這就引入了Normally-off D-mode及Normally-off E-mode (p-GaN柵) 兩個不同的技術路線。
在Normally-off D-mode技術中，氮化鎵HEMT的結構不變從而保持它的高性能及可靠性。在自然狀態(tài)下，2DEG溝道可不受束縛地最大化其無與倫比的高遷移率和電荷密度組合。Transphorm的Normally-off D-mode解決方案是將氮化鎵HEMT與低電壓常關型硅基MOSFET結合來實現(xiàn)常閉型操作。該解決方案根據(jù)功率等級、拓撲結構及系統(tǒng)框架可提供2.5伏至4.0伏的正閾值電壓。
相較之下，Normally-off E-mode增強型器件的方案選擇控制HEMT內部的2DEG—但這樣的設計會對2DEG優(yōu)勢有負面影響。
Normally-off E-mode增強型氮化鎵器件限制了2DEG的天然優(yōu)勢
在工程師們將橫向氮化鎵HEMT的設計改動來實現(xiàn)常關型時不得不做出幾個關鍵的妥協(xié)。首先，2DEG濃度必須要減少，這會導致相較于自然狀態(tài)下更高的單位面積電阻 [圖2] 及更低的品質因數(shù)(FOM)。其次，空穴摻雜的p-GaN層 [圖3] 必須要添加到柵極金屬下—這一層起到一個內置的負電池（大約有-3.2伏）的作用從而關斷2DEG溝道并實現(xiàn)近1.6伏的較弱的正閾值電壓。
圖2 較高的薄層電阻是由于為實現(xiàn)關斷溝道而導致較低的溝道電子濃度
(b)
圖3 (a) Normally-off E-mode（P-GaN 柵極）結構，無柵極隔離。 (b) 示意圖顯示肖特基金屬接觸，產(chǎn)生危險的背靠背二極管，其間有浮動p-GaN層，導致動態(tài)閾值電壓Vth問題
在處理雜訊環(huán)境或高功率水平時，1.6V閾值電壓可能是不夠的，往往需要使用大約 -3V 的負電壓柵極驅動，從而增加電路復雜性和額外的死區(qū)時間損耗。事實上，在 -3V 的柵極偏置下，從源極流向漏極的反向電流必須克服負柵極電壓，這會導致額外的功率損耗。最近，負驅動對器件動態(tài)或開關電阻的負面影響已成為主要研究和關注的焦點1。（這里的動態(tài)電阻是應用中的相關電阻，但是往往在Normally-off E-mode器件供應商的數(shù)據(jù)表中沒有明確注明）
多米諾效應：Normally-off E-mode 缺乏柵極隔離、動態(tài)閾值問題、較低性能和脆弱性
上述 Normally-off E-mode方案是有代價的：失去柵極隔離等等。
用p-GaN 代替柵極電介質會導致柵極不再被隔離。這在正向偏壓下會產(chǎn)生較高的柵極電流，從而嚴重限制了Normally-off E-mode器件的最大柵極電壓額定值。為了減少較大柵極電流，可以采用另一種方法：柵極從歐姆金屬接觸改為肖特基勢壘 [圖 3b]。但是肖特基勢壘又帶來了另一個挑戰(zhàn)，因為它現(xiàn)在阻礙了導通瞬態(tài)期間柵漏電容的放電。這個引起了“動態(tài)閾值電壓”這一有害現(xiàn)象，從而導致了動態(tài)導通電阻的問題，如圖4所示。若干個研究組都報告了這個問題2,3。在 480V 電壓下，Normally-off E-mode器件的動態(tài)導通電阻RDS(ON) 增加了 27%，而Normally-off D-mode器件僅增加了 5%，從而減少了導通損耗。圖 4里的Normally-off E-mode數(shù)據(jù)也得到了其他一些獨立研究結果的支持4。
圖4 具有肖特基勢壘的Normally-off E-mode 器件難以對器件電容進行放電，從而導致動態(tài)閾值電壓和導通電阻問題以及更高的損耗
由于電容放電困難，Normally-off E-mode 器件的閾值電壓在開關過程中不穩(wěn)定。與Normally-off D-mode器件相比，這會導致更高的功率損耗。（這可能就是Normally-off E-mode 制造商通常不報告動態(tài) RDS(ON) 的原因）。為了緩解這一問題，理論上可以對柵極進行過驅動，以降低器件柵極下方的導通電阻. 然而，這種潛在的解決方案要求必須把柵極電壓控制在一個非常小的范圍內，因為它不能超過較低的柵極最大額定值，以防止柵極損壞（最大只有+7 V），見圖5。
圖5 Normally-off E-mode驅動器全面開啟通道時只有 1 V 的余量，因此很容易導致?lián)p壞
2DEG 遷移率隨溫度升高而降低也會導致 p-GaN 柵極跨導下降 [圖 6a]，從而導致轉換速度更慢，并且與Normally-off D-mode相比，開關損耗也更多5，效率也更低。為解決這個問題，p-GaN 柵極方案需要更大的芯片，但是這會增加米勒電容，降低整體效率和造成更高成本。
(a) (b)
圖6 (a) Normally-off p-GaN 柵極跨導隨溫度升高而下降，并降低柵極驅動能力; (b) Normally-off D GaN器件跨導不會隨溫度降低，因為硅柵極在高溫下不受 GaN 遷移率下降的影響
另外，數(shù)據(jù)表也顯示Normally-off E-mode的導通電阻有著比Normally-off D-mode器件更高的溫度系數(shù)，從攝氏25度到150度增加高達2.6倍 [圖7]，這導致了隨著溫度升高快速增長的導通損耗。
圖7 Normally-off D GaN 的電阻溫度系數(shù)優(yōu)于 p-GaN 柵極 HEMT
Normally-off E-mode 器件由于缺陷注入到外延而引起的閾值電壓漂移敏感性也限制了其性能。Normally-off E-mode 的硅襯底必須連接到源極端子，以減輕由源極本身的電子注入引起的外延充電。這一設計將 Normally-off E-mode 的漏極電壓最大額定值限制為 650 V。更高的電壓需要更厚的 GaN 外延來支持加在外延上的壓降，但這個需要更復雜的生長技術和更高的成本，因此Normally-off E-mode 器件在 1200 V 的競爭中處于不利的局面。
Normally-off D-mode結構的理念：正確的方法適用于正確的目的
Transphorm以不同的方式處理氮化鎵功率半導體。其技術平臺將常開型的氮化鎵Normally-off D-mode HEMT與高可靠、高性能的常閉型的低壓硅MOSFET在D-mode結構中結合在一起。這確保了平臺安全的常閉操作，同時保留了最高的氮化鎵性能和最高的硅MOSFET柵極可靠性。
開發(fā)Normally-off D-mode結構氮化鎵平臺是經(jīng)過深思熟慮的，原因有很多，最重要的原因是它與氮化鎵的自然特性協(xié)同工作，并且與今天的硅技術向后兼容。它允許平臺元素，特別是2DEG，發(fā)揮它們的最佳作用。因此，與其通過Normally-off E-Mode（p-氮化鎵柵極）限制氮化鎵的優(yōu)勢，Normally-off D-mode結構實際上更加能充分利用氮化鎵的潛力。因此，Normally-off D-mode代表了一個高性能、高穩(wěn)定度的氮化鎵器件技術平臺，具有業(yè)界領先的可靠性和多樣性。
發(fā)揮Normally-off D-Mode的自然優(yōu)勢
Normally-off D-Mode結構器件不會遇到Normally-off E-Mode器件所經(jīng)歷的前述挑戰(zhàn)。例如，其解決方案不受動態(tài)閾值問題的影響，因為它驅動的是一個柵極隔離、低壓的硅MOSFET。閾值電壓由硅FET獨立設定，與氮化鎵HEMT無關。
常閉的D-Mode結構除了2DEG外，還會產(chǎn)生另一個自然的附加優(yōu)勢：SiN/Si界面。該界面自然地隔離了器件的柵極，提供了汽車級的最大柵極額定值+/-20V，具有卓越的可靠性和大驅動余量。閾值電壓高達4V，且不會對2DEG有任何不利影響。硅低壓MOSFET不需要負壓關斷或任何特殊的柵極驅動器。在所有開關條件下都穩(wěn)定，不存在與動態(tài)閾值問題相關的隱形的功率損耗。如圖6b所示，Normally-off D-Mode結構氮化鎵器件的跨導非常高，且不會隨溫度下降，因為它由硅MOSFET決定，并且獨立于2DEG遷移率。
誤區(qū)一：硅MOSFET會增加導通電阻和反向恢復電荷。現(xiàn)實是：在氮化鎵Normally-off D-Mode技術中，氮化鎵芯片承受大部分的關斷高壓（>90%）。硅MOSFET僅需承受幾十伏的電壓。單位面積的導通電阻隨著額定電壓按二次方下降，所以硅MOSFET實現(xiàn)了極低的導通電阻（RDS(ON)），不足總電阻的10%，并具有非常小的反向恢復電荷（Qrr）。值得注意的是，這個Qrr比高壓超結硅MOSFET技術低一個數(shù)量級。以此為例，對于傳統(tǒng)的600V硅超結功率器件，電阻電荷的乘積FOM（Ron * Qrr）為145 m?-pC。對于650V的常閉耗盡型氮化鎵，F(xiàn)OM降至6 m?-pC，這標志著巨大的改進。而在6 m?-pC中，低壓硅MOSFET僅貢獻0.5 m?-pC，不到總數(shù)的10%，也不到600V硅功率器件的0.5% [圖A]。誤區(qū)破除。
圖A：600V超結硅器件、650V 氮化鎵Normally-off D-Mode器件和（與氮化鎵HEMT配對的）低壓硅FET的開關特性比較。低壓硅FET對整體氮化鎵Normally-off D-Mode電阻和電容的貢獻很小。
誤區(qū)二：Normally-off E-mode器件沒有Qrr。現(xiàn)實是：在從反向導通切換到關斷狀態(tài)時，反向恢復電荷不僅考慮雙極性輸運里少數(shù)載流子復合，還包括空間電荷區(qū)域的形成，這實際上相當于輸出電荷（Qoss）。確實，氮化鎵 HEMT沒有反向導通的雙極性輸運，但它們仍然具有在反向恢復期間需要充電的輸出電容。簡而言之，Qrr = Qoss。Qrr并不為零。誤區(qū)破除。
這些優(yōu)勢得到了實際應用數(shù)據(jù)的支持。當Transphorm的Normally-off D-Mode器件在商業(yè)電源適配器里取代Normally-off E-mode氮化鎵時，實現(xiàn)了更高的效率和高達50%的機殼溫度下降（盡管這里用的Normally-off D-Mode器件的數(shù)據(jù)表標稱導通電阻要比E-mode高30%）[圖8]。值得注意的是，即使芯片尺寸更小、數(shù)據(jù)表里電阻更高，Transphorm的Normally-off D-Mode氮化鎵器件（商標為SuperGaN）在性能上也還是優(yōu)于Normally-off E-mode器件。
圖8：Transphorm的Normally-off D-Mode氮化鎵器件SuperGaN和P-GaN E-mode HEMT在280瓦雷蛇電源適配器上的性能差異。
GaN 的封裝多樣性等于客戶應用的兼容性
D-Mode常閉平臺非常適合各種標準封裝，例如通孔、表面貼裝和多芯片模塊。這些封裝本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化鎵平臺本身的性能和可靠性。
借助于現(xiàn)代封裝技術，Transphorm高功率Normally-off SuperGaN產(chǎn)品的寄生電感得以最小化。其采用了芯片堆疊技術和類似硅管的引線鍵合技術 [圖 9]，無需引入額外的引線鍵合和額外的寄生電感。Normally-off D-Mode產(chǎn)品也支持其他的封裝方案，例如銅夾扣鍵合(Copper Clip)和開爾文源極(Kevin source)等等。
圖9：SuperGaN FET 芯片堆疊封裝（TO-247）。也可以采用表貼封裝，如 PQFN、TOLL、TOLT 或模塊
誤區(qū)三：D-Mode GaN會振蕩。事實：D-Mode GaN具有很大的增益。增益本身是有益的，可以實現(xiàn)非常快速的開關。但需要正確利用它才能實現(xiàn)所需的性能，同時防止出現(xiàn)不良影響，例如振蕩。為了防止振蕩并充分利用任何快速開關半導體器件，電路工程師應遵循一組標準設計原則，例如：最小化柵極和電源環(huán)路電感、選擇正確的柵極電阻和柵極鐵氧體磁珠，在需要的地方采用 RC 緩沖器（主要是在直流鏈路上，盡可能靠近設備的漏極端子）。所有這些設計原則都很容易實施，并在應用筆記 AN00096 中進行了總結，如果實施得當，它們不會降低 GaN HEMT 的性能。相反，它們會增強其性能，同時抑制振蕩和電磁干擾 (EMI)。參見波形圖 B。誤區(qū)破除。
圖 B：GaN 共源共柵器件具有高增益。良好的電路設計和優(yōu)化的電源環(huán)路電感有助于抑制振蕩并實現(xiàn)快速開關和高性能
一些額外優(yōu)勢
Normally-off D-Mode結構還非常適合系統(tǒng)級封裝集成，其中柵極驅動器和控制器與 D-mode HEMT + 低壓 Si FET（單片或混合）無縫集成，為滿足不同的終端需求增加了另一種選擇。
此外，D-mode結構里的GaN HEMT 不需要將源極連接到襯底。一個浮動或絕緣基板可實現(xiàn)更高的額定電壓（例如：高達 1200 V7）和雙向開關器件8。而對于p-GaN 柵極的E-mode器件，如果想要開發(fā)雙向開關器件，一個困難在于當兩個端子的極性從接地電壓到直流總線電壓交替時，基板應該連接到哪個端子？對于 p-GaN 柵極 HEMT 來說，這是一個沒有明確答案的問題。
D-mode HEMT 還具有一些當今 E-mode HEMT 無法輕易獲得的優(yōu)勢。例如，隨著 GaN器件滲透到電機驅動市場，它將需要具備短路能力。 D-mode的絕緣柵電壓處理可實現(xiàn)非常優(yōu)雅的設計方法。事實證明，此類方法可將 Transphorm D-mode器件的短路耐受時間 (SCWT)增大到 5 微秒9，滿足商用柵極驅動器的要求。值得注意的是，Transphorm 通過其專有的半導體工藝實現(xiàn)了 SCWT，無需添加額外的掩模或電流感應引腳，使得三引腳封裝仍然適用。迄今為止，E-mode器件似乎還沒有為這種可能性做好充分準備，只有有限演示，有時甚至具有誤導性。
結論
結合上述優(yōu)勢，Transphorm Normally-off D-Mode氮化鎵技術平臺（SuperGaN）產(chǎn)生了一系列器件，優(yōu)化并且放大了 GaN 作為半導體材料的固有優(yōu)勢，為下一代電力電子產(chǎn)品提供真正革命性的功率轉換解決方案。
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