如何使用氮化镓器件：引进氮化镓晶体管技术

本文是专为功率系统设计工程师及工程经理而设的连载文章的第一章。我们在未来数个月将介绍应用于电源转换的氮化镓技术，并讨论其基本设计及辅以应用范例。硅器件已称王多时，现在我们可利用一个全新技术替代它!

氮化镓启航

HEMT(高电子迁移率晶体管)氮化镓(GaN)晶体管大约最早在二零零四年出现，当时日本的Eudyna公司推出一种耗尽型射频晶体管。通过在碳化硅基板上使用氮化镓，Eudyna公司成功生产了为射频市场而设的晶体管。高电子迁移率晶体管的结构基于在接近AlGaN和GaN异质结构界面处异常高的电子迁移率，被描述为二维电子气(2DEG)。将这种现象应用于碳化硅上生长的氮化镓，Eudyna公司成功生产出在数吉赫兹频率范围内的基准功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一种耗尽型射频高电子迁移率晶体管，首次利用硅基上生成的氮化镓晶圆制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技术。

随着另外几家公司参与市场发展，氮化镓射频晶体管在射频应用领域继续阔步前进。但在这个市场以外的认受性却非常有限，主要的原因是器件的成本和耗尽型器件的操作并不方便。

宜普公司在二零零九年六月推出了首款增强型硅基氮化镓(eGaN®)场效应晶体管(FET)。这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET器件。这些产品可以使用标准硅的制造技术和设备，以低成本大批量生产。

我们对功率半导体最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的结构如果不具备这些特征的话，便不可能商品化。

让我们对作为下一代功率器件发展平台的硅、碳化硅及氮化镓器件进行比较。

为什么使用氮化镓器件

从一九五零年代开始，硅是功率半导体的主要材料。与锗或硒等其它早期半导体材料相比，它具有四大特点：

1. 硅器件推动了全新应用的出现;

2. 硅器件被证实更为可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶体管如果要替代硅器件，它的材料性能必需展示在以上四方面比硅器件更为优胜。

硅器件的优势是基于其基本物理特性及在制造基础设施和工程方面的庞大投资。现在让我们来了解硅的几个基本性能，以及它与其它替代材料的比较。表一展示了用于功率管理市场的三种竞争半导体材料的三种主要电学性能。

表一：氮化镓、碳化硅及硅材料的性能比较

如何使用以上的基本结晶参数对功率晶体管的性能进行比较，其中的一个办法是比较以上三个器件理论上可实现的最大性能。功率器件的众多特性对目前的电源转换系统具有相当的影响，其中五个最重要的特性包括器件的传导效率、击穿电压、开关速度、尺寸及成本。这些器件特性决定可实现的系统频率及功率密度。

从表一的数据(对氮化镓二维电子气的高迁移率做出调整后)我们可以得出作为击穿电压及材料函数的理论上最小电阻(电导的倒数)。

表一展示了由于碳化硅与氮化镓器件均具有比较高的临界电场强度，使它们的电阻及击穿电压具优越关系，允许器件在给定的击穿电压下实现更小尺寸，以及我们可以把端子更紧密地排列在一起。此外，与碳化硅器件相比，氮化镓器件的另一个额外优势是由于二维电子气的电子迁移率较高，使氮化镓器件可以在给定的电阻及击穿电压下具有更小的尺寸，为氮化镓器件加分!

由于氮化镓器件可以比硅器件小很多，以及其电子迁移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化镓高电子迁移率晶体管可具更快速开关的优势。图二展示在一个12 V 转1.2 V的降压转换器，一个氮化镓晶体管与两个硅功率MOSFET器件的过渡时间的比较。 氮化镓晶体管的开关时间是等效40 V 硅器件的五分之一，以及是等效25 V硅器件的四分之一。这再次为氮化镓器件加分![p]

图一：硅、碳化硅及氮化镓器件的理论导通电阻与阻挡电压能力的关系的比较。

图二：在一个12 V 转1.2 V的降压转换器，氮化镓场效应晶体管与硅功率MOSFET器件的硬开关开启速度的比较。 可见三个器件均具备相同导通电阻，但具有不同的击穿电压。

氮化镓器件的横向结构有助它的flip-chip封装，它是一种高性能的封装，因为具最低阻抗及端子电感。此外，氮化镓功率器件在晶片尺寸方面比硅器件优越，因为它采用高效封装，使它的尺寸比现今器件小很多。

表二：功率MOSFET器件的各种封装与氮化镓场效应晶体管的栅格阵列封装的比较。

表二比较了氮化镓场效应晶体管与具有相同导通电阻的MOSFET器件的尺寸。氮化镓场效应晶体管由于具有高效晶片级栅格阵列封装及更小的晶片尺寸，大大缩小了器件在印刷电路板上的总体占位区域。这证明氮化镓器件再次比MOSFET器件优胜!

氮化镓晶体管建构于一个比较新的技术，因而它的制造成本比等效硅器件为高。但这是暂时的情况，正如在我们的教科书(氮化镓晶体管-高效功率转换器件)第十四章所述，氮化镓场效应晶体管可以逾越这个障碍，实现比等效功率MOSFET或IGBT器件更低的成本。

氮化镓场效应晶体管的基本结构

氮化镓场效应晶体管的基本结构见图3。与任何功率场效应晶体管一样，氮化镓器件的结构具有栅极、源极和漏极电极。源极和漏极电极穿过AlGaN 顶层与下面的二维电子气形成欧姆接触，并在源极和漏极之间形成短路，直至二维电子气区域内的电子耗尽，以及半绝缘的氮化镓晶体可以阻隔电流为止。为了耗尽二维电子气的电子，我们需要将栅极电极放置在AlGaN 层的上面。对于很多早期的氮化镓晶体管来说，这个栅极电极形成为一个与顶部的表面接触的肖特基接触点。在这个接触点施加负电压，肖特基势垒将变成反向偏置，从而使下面的电子耗尽。因此，为了把器件关断，需要施加相对于漏极和源极电极的负电压。这种晶体管名为耗尽型或D 型异质结构场效应晶体管(HFET)。

图三：典型的AlGaN/GaN 异质结构场效应晶体管结构，具栅极、源极和漏极三个金属半导体接触点。[p]

在功率转换的应用中，D 型器件并不方便，因为在功率转换器启动时，必须首先在功率器件施加负偏置，否则会导致短路。反之，增强型(E 型)器件没有这个限制。在栅极为零偏置时，E 型器件处于“关断”状态，及不会传导电流。当宜普电源转换公司推出商用增强型氮化镓场效应晶体管后，大大减低了使用氮化镓晶体管来设计功率转换系统的难度。

增强型氮化镓场效应晶体管的结构

宜普的增强型的工艺开始于硅晶圆。在硅基上生成的一层氮化铝(AlN) 的薄层，为随后生长的氮化镓异质结构提供一层晶种层。由AlGaN 及其后的氮化镓组成的异质结构在氮化铝层上生长。在这层的基础上搭建氮化镓场效应晶体管。随后在这个具高阻抗性的氮化镓厚层上生长一薄层AlGaN。这个薄层使氮化镓与AlGaN 层之间产生应变介面。这个应变介面加上氮化镓固有的压电性质产生满载大量高迁移率电子的二维电子气 。下一步工艺是在栅极下方形成一个耗尽区。为了增强场效应晶体管性能，可以用与导通n 沟道的增强型功率MOSFET 相同的方式，给栅极施加一个正向电压，如图四所示。额外金属层可以把电子导向栅极、漏极及源极的端子(图五显示了这种结构的横截面)。这种结构被重复多次而形成一个完整的功率器件，如图六 所示。

图四: 氮化镓场效应晶体管的结构。

图五：氮化镓场效应晶体管的扫描电子显微镜图像。

图六：氮化镓场效应晶体管的俯视图。它的额定值为40 V、4 mΩ 及33 A。

总结

在技术文章系列的第一章，我们介绍了具备优越性能的硅基氮化镓功率器件可以替代现有的功率MOSFET器件。我们描述了两种氮化镓晶体管的结构，分别为耗尽型及增强型氮化镓晶体管。氮化镓场效应晶体管的尺寸更小、开关速度更快、容易使用、已经用作商业用途及在不久的将来可以比硅器件的成本更低。下一章我们将讨论功率系统设计工程师所需的基本工具，以实现氮化镓晶体管的卓越性能。