IEDM2024 | GaN功率器件技术的发展

逍遥设计自动化

引言
氮化镓(GaN)功率器件正在改变功率电子行业，提升了许多消费类应用的效率。GaN技术已经在65W到3.2kW的低功率应用中得到广泛应用，如快速充电器和电源。近期的技术突破正在推动GaN向高功率应用发展，这将对经济、生态和社会产生重要影响[1]。
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高压GaN技术
& U( E9 l* k1 b; {; A1200V GaN技术的开发是功率电子领域的重要进展。GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)能够覆盖从100V到1200V的商用电压范围，可以有效地与硅基IGBT、硅基CoolMOS和碳化硅晶体管竞争。
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" b, B+ @! g" _图1：采用低成本、大尺寸绝缘蓝宝石衬底的1200V GaN HEMT级联结构示意图。图中展示了器件结构、SiC和GaN性能参数对比以及性能特性。

使用蓝宝石作为衬底材料是一项重要突破，其优异的电绝缘性能可以消除漏极和衬底之间的击穿。在前端制造过程中，蓝宝石上的III族氮化物缓冲层厚度可以减少超过60%，这显著降低了外延成本，同时在150mm和200mm衬底上都保持了良好的晶体质量和高电绝缘性。在后端工艺中，可以将蓝宝石减薄至150-200μm以匹配硅的导热性能。蓝宝石已经是GaN LED的首选衬底，具有丰富的工艺知识和工业化大规模生产生态系统。

" W' t# f7 M% K5 h# Z% U实验结果表明，采用TO-247封装的70mΩ蓝宝石基双芯片常关型GaN FET，在50kHz工作频率下实现了900:450V降压转换器超过99%的效率。该器件展现出优异的开关性能指标，Ron?Qg = 0.9Ω?nC，Ron?Qrr = 11Ω?nC。这些结果表明，经过优化的蓝宝石基GaN技术可以在1200V功率器件市场中具有很强的竞争力。
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大电流能力
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/ ^) S4 u" C( [* M8 Y图2：单个10mΩ GaN芯片的开关波形和效率曲线，实现了99.3%的记录性效率和14kW的输出功率，结温仅为120°C。
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9 v. d) l6 W" I% [- h大电流GaN技术的进步体现在导通电阻为10mΩ、额定直流电流超过170A的原型器件上。该芯片面积达到数十平方毫米，可以装入常规的TO-247-3L封装。硬开关波形显示，器件达到了50V/ns和4A/ns的开关速度，支持高功率和高频率开关。在50kHz硬开关模式下运行的240V:400V升压转换器效率在4kW时达到峰值99.3%，并平稳降至14kW。值得注意的是，在14kW时，结温仅为120°C，表明还有进一步提升功率的空间。

/ X  e7 D, C- {这种优异性能的原因在于快速的开关速度最小化了开关损耗，在级联配置中与低压Si-MOSFET组合的耗尽型GaN具有低动态导通电阻（小于10%），以及较低的电阻温度系数（150°C和25°C之间小于1.8倍，类似于SiC沟槽MOSFET技术），这些特性共同贡献了运行中的低导通损耗。
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增强的安全特性
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图3：专利GaN技术实现电机驱动逆变器中5μs短路耐受时间的示意图。

7 X' ^. V  B# X$ h* P在电机驱动应用中，GaN器件不仅要通过严格的JEDEC或AEC-Q0101认证，还必须能够承受由过载、击穿、固件错误、电流浪涌或外部故障条件引起的短路事件。2021年，Transphorm公司展示了一项专利GaN技术，在50mΩ器件上实现了高达3微秒的短路耐受时间(SCWT)。今年，该技术取得显著进步，在15mΩ器件上实现了5μs的SCWT，该器件能够处理高功率运行(12kW)。该器件采用TO-247封装，额定电压为650V，额定直流电流为145A。在drain偏压400V时展现出5μs的短路耐受时间，并通过了1000小时175°C高温反向偏压应力测试。这些数据说明了GaN器件的适应性，打破了关于GaN不具备短路能力的传统认识。值得注意的是，现代栅极驱动器的保护响应时间约为1μs，确保了足够的时间来检测故障并安全关闭系统，避免器件失效。

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3 E3 g  B6 B$ h1 R$ s双向开关创新

4 P( ]+ v; V+ _5 h图4：具有公共漏极和共享漂移区的单片集成GaN双向开关，实现更小的占位面积、更好的性能指标和更少的器件数量。
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图5：采用耗尽型单片GaN与低压Si-FET级联配置的GaN双向开关(BDS)实现方案，提供增强的阈值电压、栅极裕度、可靠性和抗噪声能力。


1 q" D4 T6 f$ o0 i: Q, j* M图6：使用GaN BDS的电路拓扑，展示了隔离式矩阵双向有源桥和非隔离式T型中性点钳位结构，用于高效率功率转换。

/ q) K, J6 j  |. ]得益于横向结构，GaN器件非常适合单片集成。通过将两个晶体管反向串联进行单片集成，创造了所谓的"双向开关"。双向开关具有两个相对的源极，由两个相对的栅极控制，可以双向导通电流和承受双极性电压。这种独特于GaN的简单器件结构对于AC前端应用具有重要意义，因为功率器件需要承受正负交流波。

在这项工作中，展示了一种GaN双向技术，其中单片集成的耗尽型双向GaN HEMT与两个低压硅MOSFET形成级联配置以实现常关运行。HEMT的单片集成允许共享高压漂移区，与两个分立GaN开关相比，die尺寸减少了40%。低压硅MOSFET实现了高阈值电压(4V)，高栅极裕度(+20V)，高可靠性以及对噪声和寄生开启的高抗扰度。双向级联器件使用叠层die技术集成，以最小化占位面积和互连电阻及电感。该解决方案组装在带有隔离tab的单个TO-247封装中。
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* e- u6 m6 V- A: f图7：GaN BDS在单级AC/DC前端中的开关波形，采用矩阵有源桥结构，显示三相正弦AC输入和DC输出特性。

! r4 Y: s# \# u) n# IGaN双向开关已在矩阵有源桥中进行了单级AC/DC前端测试，结果显示能够在两种AC极性下实现电压阻断并成功进行系统演示。这些技术进步正在推动数据中心、人工智能、交通运输和可再生能源系统等各种应用中更高效、更紧凑、更可靠的功率转换系统的发展。

参考文献
[1] U. K. Mishra, D. Bisi, G. Gupta, C. J. Neufeld, and P. Parikh, "The Future of GaN is also High Voltage, High Current, and Bidirectional," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024
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