本文來(lái)自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/梁浩斌。
功率GaN的大規(guī)模應(yīng)用，其實(shí)也只有六七年的歷史，從2018手機(jī)快速充電器上才正式吹響了普及的號(hào)角。目前，從晶體管來(lái)看，功率GaN主要的產(chǎn)品是HEMT（高電子遷移率晶體管）。另一方面，功率GaN的技術(shù)路線從不同的層面看還有非常豐富的種類(lèi)。
器件模式
功率GaN FET目前有兩種主流方向，包括增強(qiáng)型E-Mode和耗盡型D-Mode。其中增強(qiáng)型GaN FET是單芯片常關(guān)器件，而耗盡型GaN FET是雙芯片常關(guān)器件（共源共柵Cascode結(jié)構(gòu)）。
E-Mode的GaN器件在沒(méi)有施加門(mén)極電壓時(shí)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，需要施加正向門(mén)極電壓來(lái)打開(kāi)器件。這種器件具有較好的開(kāi)關(guān)特性，適用于高頻率、高效率的應(yīng)用，例如DC-DC變換器、LED驅(qū)動(dòng)器等。不過(guò)E-Mode GaN器件的柵極可能存在穩(wěn)定性和漏電流的問(wèn)題，可能會(huì)影響器件的可靠性和性能。
D-Mode的GaN器件在沒(méi)有施加門(mén)極電壓時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，需要施加負(fù)向門(mén)極電壓來(lái)關(guān)閉器件。這種器件具有較好的線性特性和較低的開(kāi)關(guān)損耗，適用于一些需要高精度控制和低噪聲的應(yīng)用，比如音頻放大器、射頻功率放大器等。而由于D-Mode GaN器件采用了Cascode結(jié)構(gòu)，可靠性更高，在高功率、高電壓、大電流應(yīng)用中，這種器件適用性更高，比如在電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)等應(yīng)用上。但另一方面D-Mode的封裝復(fù)雜度會(huì)增加，開(kāi)關(guān)頻率也因此受到限制。
從主要的玩家來(lái)看，英飛凌（以及剛收購(gòu)的GaN Systems）、EPC、英諾賽科、納微半導(dǎo)體、松下、量芯微等主要是走E-Mode路線；而Transphorm、PI、TI、安世、鎵未來(lái)、華潤(rùn)微（潤(rùn)新微）等主要走D-Mode路線。
外延襯底材料
因?yàn)镚aN襯底制備難度大，價(jià)格高昂，因此目前GaN一般都是在異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延，再在外延片上制作器件。功率GaN器件的襯底主要有SiC、Si、藍(lán)寶石這三種，其中GaN on SiC主要在射頻領(lǐng)域用于功率放大器，GaN on Sapphire則主要用于LED領(lǐng)域。
而電源領(lǐng)域的GaN開(kāi)關(guān)器件主要是Si和藍(lán)寶石襯底。在GaN功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)品上，大多數(shù)廠商都是基于Si襯底制造的，這是因?yàn)镾i襯底價(jià)格較低，且能夠與現(xiàn)有硅晶圓產(chǎn)業(yè)鏈很好地兼容。
目前業(yè)內(nèi)大規(guī)模出貨GaN on Sapphire功率GaN器件的廠商主要是Transphorm，去年Transphorm推出了業(yè)界首款1200 V GaN-on-Sapphire器件仿真模型，這也是業(yè)界唯一一款1200 V GaN-on-Sapphire功率器件。
另外國(guó)內(nèi)致能科技也在近期成功在6英寸藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了1700V GaN HEMTs器件，并在IEEE Electron Device Letters期刊發(fā)表相關(guān)研究成果。
平面型和垂直型
垂直GaN中“垂直”是指器件的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可以理解為器件中陽(yáng)極和陰極相對(duì)的位置，目前大多數(shù)硅基GaN器件是平面型結(jié)構(gòu)，即陽(yáng)極和陰極處于芯片同一平面上，導(dǎo)通電流在器件中橫向流動(dòng)；而垂直型GaN一般是基于GaN襯底，GaN襯底底面為陰極，陽(yáng)極則位于上方，導(dǎo)通電流是豎向流動(dòng)。
相比橫向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN襯底同質(zhì)外延層，具有更低的位錯(cuò)密度，器件可靠性高，性能也更高。而具體到器件上，GaN二極管和晶體管都能采用垂直結(jié)構(gòu)。
由于器件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，在相同的器件面積下，可以通過(guò)增加位于晶體管內(nèi)部的漂移層（用于傳導(dǎo)電流）的厚度，來(lái)提高電壓等級(jí)，能夠用于更高電壓的應(yīng)用中；同時(shí)，電流導(dǎo)通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度。
另外，垂直結(jié)構(gòu)能夠更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，在超過(guò)擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過(guò)反向極化柵源二極管發(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加?xùn)旁措妷翰⑶覝系来蜷_(kāi)并導(dǎo)通。這是一種設(shè)備自我保護(hù)的重要屬性，如果器件兩端電壓或?qū)ǖ碾娏鞒霈F(xiàn)峰值，擁有雪崩特性的器件就可以吸收這些電涌并保持正常運(yùn)行，在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。
目前，業(yè)內(nèi)在垂直GaN器件上商業(yè)落地進(jìn)展最快的大概是美國(guó)Odyssey公司，該公司在去年第一季度宣布已經(jīng)向客戶提供樣品，而最快在2023年第四季度之前還將會(huì)提供更多樣品。
