GaN HEMT结构及工作原理详解

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GaN HEMT基本概述                                                                             

氮化镓高电子迁移率晶体管GaN]由于材料上的优势，GaN功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷(意味着更优秀的传导和开关性能)。因此GaN功率器件更适合于高频应用场合，对提升变换器的效率和功率密度非常有利。目前GaN功率器件主要应用于电源适配器、车载充电、数据中心等领域，也逐渐成为5G基站电源的最佳解决方案。

图1 Si、GaN、SiC材料特性对比

GaN HEMT的分类                                                                                                              

按照器件结构类型：可分为横向和纵向两种结构，如图2所示。横向GaN功率器件适用于高频和中功率应用，而垂直GaN功率器件可用于

高功率模块。垂直GaN功率器件尚未在市场上出售，目前处于大量研究以使器件商业化的阶段。

(a)横向结构AlGaN/GaN功率器件      (b)垂直结构AlGaN/GaN功率器件

图2 GaN功率器件不同结构示意图

按照器件工作模式：可分为常开(耗尽型)和常关(增强型)两种方式，如图3所示。在横向结构中由AlGaN/GaN异质结组成的GaN异质结场效应晶体管(HFET)包括一层高迁移率电子：二维电子气(2DEG)，2DEG在功率器件漏极和源极之间形成通道。常开(耗尽型)：当栅源电压为零时，漏源极之间已存在2DEG通道，器件导通。当栅源电压小于零时，漏源极2DEG通道断开，器件截止。常关(增强型):当栅源电压大于零时，漏源极之间2DEG通道形成，器件导通。

(a)常开型AlGaN/GaN功率器件 (b)常关型AlGaN/GaN功率器件

图3 GaN功率器件不同工作方式示意图

常开(耗尽型)器件在启动过程中可能会出现过冲或失去功率控制，因此不适用于电源变换器等应用中。常关(增强型)器件通过简单的栅极驱动控制，在电力电子广泛应用。

两种常见的常关型GaN HEMT

(共源共栅型和单体增强型)   

单体增强型P-GaN功率器件单体增强型器件在AlGaN势垒顶部生长了一层带正电(P型)的GaN层。P-GaN层中的正电荷具有内置电压，该电压大于压电效应产生的电压，因此它会耗尽2DEG中的电子，形成增强型结构。单体增强型器件优点：内部寄生参数较小，开关性能会更加优异。

(a)单体增强型GaN HEMT电气符号  (b)Cascode型GaN HEMT电气符号

图4 GaN功率器件电气符号

共源共栅型GaN功率器件通过低压增强型Si MOSFET和耗尽型GaN HFET串联封装形成常关器件。Si MOSFET的输出电压决定了HFET的输入电压，在导通模式下共享相同的沟道电流。共源共栅型GaN功率器件的缺点：两个器件的串联连接增加封装的复杂性，将在高频工作环境中引入寄生电感，可能影响器件的开关性能。

GaN HEMT结构原理图解

(常开型GaN HEMT为例)

典型AlGaN/GaNHEMT器件的基本结构如图5所示。器件最底层是衬底层(一般为SiC或Si材料)，然后外延生长N型GaN缓冲层，外延生长的P型AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结。最后在AlGaN层上淀积形成肖特基接触的栅极(G)，源极(S)和漏极(D)进行高浓度掺杂并与沟道中的二维电子气相连形成欧姆接触。

图5 常开型GaN HEMT结构原理图

GaN HEMT工作原理详解                                                                                       

AlGaN/GaNHEMT为异质结结构器件，通过在GaN层上气相淀积或分子束外延生长AlGaN层，形成AlGaN/GaN异质结。GaN半导体材料中主要存在纤锌矿与闪锌矿结构两种非中心对称的晶体结构。

在这两种结构中，纤锌矿结构具有更低的对称性，当无外加应力条件时，GaN晶体内的正负电荷中心发生分离，在沿极轴的方向上产生极化现象，这种现象称为GaN的自发极化效应。在外加应力下，由于晶体受到应力产生晶格形变，使得内部正负电荷发生分离，在晶体内部形成电场，导致晶体表面感应出极化电荷，发生压电效应。由于压电极化和自发极化电场方向相同，在电场作用下使得异质结界面交界处感应出极化电荷。

图6 AlGaN/GaN HEMT器件能带图

由于AlGaN材料具有比GaN材料更宽的带隙，在到达平衡时，异质结界面交界处能带发生弯曲，造成导带和价带的不连续，在异质结界面形成一个三角形的势阱。从图6中可以看到，在GaN一侧，导带底EC已经低于费米能级EF，所以会有大量的电子积聚在三角形势阱中。同时宽带隙AlGaN一侧的高势垒，使得电子很难逾越至势阱外，电子被限制横向运动于界面的薄层中，这个薄层被称之为二维电子气(2DEG)。

图7 AlGaN/GaN HEMT器件结构示意图

AlGaN/GaN HEMT器件结构如图7所示。漏源电压VDS使得沟道内产生横向电场，在横向电场作用下，二维电子气沿异质结界面进行输运形成漏极输出电流IDS。栅极与AlGaN势垒层进行肖特基接触，通过栅极电压VGS的大小控制AlGaN/GaN异质结中势阱的深度，改变沟道中二维电子气面密度的大小，从而控制沟道内的漏极输出电流。

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