垂直GaN 器件：电力电子的下一个层次

NexGen Power Systems Inc. 正在使用GaN 衬底上的同质外延 GaN 制造垂直功率器件（垂直氮化镓或垂直 GaN）。垂直 GaN 器件能够以更高的频率进行开关并在更高的电压下工作，这将催生新一代更高效的功率器件。

“垂直 GaN 器件比硅小 90%；NexGen Power Systems 的首席执行官兼联合创始人 Dinesh Ramanathan 表示，电容与器件的面积直接相关。“设备越小，电容越低。电容越低，开关频率越高。在大多数典型应用（尤其是电源）中，垂直 GaN 的开关损耗比 Si ［硅］ MOSFET 低 67%。”

GaN是一种宽带隙材料，与硅相比，它允许器件在更高的温度下工作并承受更高的电压。此外，GaN 较高的介电击穿率允许制造更薄的器件，因此可以制造更低电阻的器件。较低的特性 R DS（on）导致具有较低电容的较小器件。

在低缺陷密度块体 GaN 衬底上生长低缺陷密度外延层的优势在于，与在非 GaN 衬底上制造的横向 GaN 器件相比，它导致垂直功率器件在电压和热应力下具有更高的可靠性。

垂直 GaN 能够在高击穿电压下工作（图 1），这使垂直 GaN 能够为要求最苛刻的应用供电，例如数据中心服务器、电动汽车、太阳能逆变器、电机和高速列车的电源。

图 1：与 Si 和 SiC 相比的 GaN 材料特性（图片：NextGen Power Systems）

传统功率器件和横向 GaN-on-Si

功率电子器件使用固态器件来处理或转换电能。电源转换器或适配器无处不在，有各种形状和尺寸可供选择。大多数称为开关模式电源 （SMPS） 的转换器使用电容器、电感器、变压器和半导体开关将功率从具有给定电压和电流的输入传输到不同电压/电流配置的输出（图 2）。

图 2：开关模式电源的框图（图片：NextGen Power Systems）

电容器、电感器和变压器是无源且物理上较大的组件。为了减小 SMPS 的尺寸，它们必须在高频下工作。为了在高频下工作，他们需要更好的半导体开关，它可以克服现有硅基开关的限制，通常最高可达几百千赫兹。

在过去的三十年里，MOSFET 和 IGBT 等硅器件一直主导着功率器件市场。最近，硅 MOSFET 只看到了性能提升。“硅已经达到了极限；基于硅功率器件的材料特性，您现在无法从根本上获得任何收益，”Dinesh Ramanathan 说。

碳化硅 （SiC） 是硅的另一种替代品，但 GaN 通常具有更具吸引力的基本材料特性。

当前的 GaN 器件是在混合衬底上制造的：硅或碳化硅上的 GaN 薄层，形成 GaN-on-Si 或 GaN-on-SiC 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 结构（图 3）。

图 3：GaN-on-Si HEMT 结构的代表性示意图（图片：NexGen Power Systems）

横向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件将材料与不匹配的热膨胀系数 （CTE） 结合在一起，这会损害可靠性和性能。此外，在典型的 GaN HEMT 器件中，通道非常靠近表面（大约几百纳米），这会产生钝化和冷却问题。在横向 GaN-on-Si 器件中，漏源分离决定了器件的击穿电压。较大的漏源分离会增加沟道电阻并限制电流容量。为了弥补这一点并提高载流能力，该器件必须做得更宽。更高的电压和更高的电流要求的组合导致设备具有大面积，因此具有更高的电容。因此，

雪崩击穿是 Si 和 SiC 器件在短期过压条件下保护自身的关键特性。横向 GaN-on-Si HEMT 中没有 pn 结可防止这些器件发生雪崩击穿。此外，由于靠近器件表面的电流传导的敏感性，GaN-on-Si HEMT 难以从顶部冷却。将 Si 衬底与 GaN 层隔开的缓冲层限制了底部冷却的效率。这意味着，通常必须创建定制封装来冷却 GaN-on-Si HEMT，从而进一步增加其成本。

垂直 GaN 功率器件

GaN 和 Si 或 SiC 之间的晶格失配会降低 GaN 的电性能并影响可靠性，当 GaN 器件在 GaN 衬底上生长时，晶格和 CTE 当然是完美匹配的——它是同一种材料。 因此，可以在块状 GaN 衬底上外延生长非常厚的 GaN 层，从而制造出非常高电压的器件。

垂直 GaN 技术释放了 GaN 卓越材料特性的全部潜力，因为它基于在 GaN 衬底上同质外延生长的 GaN（图 4）。此外，垂直 GaN 器件使用所有三个空间维度：通过增加漂移层的厚度来提高击穿电压和通过增加器件面积来降低 R DS（on） / 电流能力，从而有效地创建将击穿电压和电流能力解耦的 3D 器件。 R DS（on） ）。

“交流系统需要具有显着降低谐波失真的高性能功率因数校正电路，”Ramanathan 说。“垂直 GaN 的高开关频率支持新的控制算法，并以更小的实现和更高的效率提供所有这些。”

图 4：垂直 GaN 与 GaN-on-Si 器件结构（图片：NextGen Power Systems）

图 5显示了增强型垂直 GaN 结场效应晶体管 （eJFET） 和 GaN-on-Si HEMT 的示意图。NexGen Power Systems 表示，它能够展示 》40 µm 的漂移厚度，生产击穿电压 》4，000 V 的二极管和电阻率为 2.8 mΩ/cm 2的晶体管。对于相同的电流能力，垂直 GaN 器件尺寸大约比 650-V GaN-on-Si HEMT 小 6 倍，但提供更大的 1，200 V 击穿电压。垂直 GaN eJFET 具有雪崩能力，可在以下情况下保护器件超过规定的击穿电压。

图 5：垂直 GaN eJFET 和 GaN-on-Si HEMT 的示意图。虚线白线表示电子传导路径。（图片：下一代电力系统）

垂直 GaN 器件用于通过漂移层传导电流，该漂移层位于晶体管主体内部。因此，不存在由表面界面杂质捕获的电荷产生的动态 R DS （on） 变化的机制。栅源二极管的耗尽区延伸到沟道中，控制了漏极和源极之间的电流流动。在超过击穿电压的情况下，雪崩最初通过反向极化的栅源二极管发生，随后导致雪崩电流增加栅源电压和沟道打开并导通。

由于输出电容小，应用中的开关损耗非常小。与横向 GaN 器件相比，热量通过均质材料（无需额外层）从器件的顶部和底部 直接传递到封装引线框架（图 6 ）。

“这种器件的优势在于它只有由 GaN 制成的 pn 结，”Ramanathan 说。“我们没有二维电子气和复杂的材料层。我们有一个增强型 JFET，这是一种广为人知的器件，由于它具有 pn 结，它会发生雪崩，因此不会发生破坏性击穿。因为这一切都发生在设备的主体中，它可以在雪崩期间吸收相当多的能量，并且在事件发生后，设备恢复并正常运行。所以它有一个内置的安全机制，因此，它是一个更可靠、更强大的设备。”

图 6：同质外延生长结构的优势（图片：NextGen Power System）

Figure 7： Driving NexGen’s vertical GaN eJFETs （Image： NextGen Power System）

NexGen 的 Vertical GaN 技术结合了器件的特性，这些特性以前被认为是不兼容的，因此是不可能实现的。汽车、消费电子、太阳能、电机和数据中心的功率转换是人们可以体验这项新技术潜力的主要应用。与其他开关器件相比，它在更高的开关频率下提供更低的损耗和更好的雪崩鲁棒性，并在成本上与硅器件有效竞争。

“从手机到笔记本电脑，电子设备变得越来越小，越来越便携，”Ramanathan 说。“使用垂直 GaN，电源系统也可以小、轻、低成本和便携。”

他继续举了一个特别引人注目的例子：“在数据中心机架中，为电源预留了一定数量的机架单元，将交流电转换为直流电——我们将该电源的尺寸减小了 50%。让我们看看一个 30 kW 的机架——需要 11 个机架单元用于供电，31 个提供计算服务。凭借我们更高的开关频率，我们可以将电源尺寸从 11 个减少到 5 个机架单元，这意味着我们可以腾出 6 个机架单元来添加到计算机架。六个额外的计算机架意味着计算密度增加了 20%”。

垂直 GaN 允许您解决目前只能由多种技术提供服务的全系列电源转换应用。