网络研讨会跟进
Stephen Russell博士将回答大家的问题
斯蒂芬·罗素
我非常喜欢我们最近以氮化镓(GaN)为主题的网络研讨会“最近的GaN创新:从消费者到数据中心和汽车”按需提供随时都可以。在我们的网络研讨会问答环节中提出了一些很好的问题，今天我在这里回答它们。
问:40v以下的GaN有一席之地吗?
答:氮化镓在消费电子产品领域已经有很大的市场。650v GaN hemt越来越多地出现在USB充电器中，最近它们也被用于数据中心的主侧转换。40v和100v GaN器件分别在12v的二次侧DC-DC转换和越来越受欢迎的48v配电体制中越来越受欢迎。这些低压设备也有进一步的应用，GaN可以提供独特的好处，如激光雷达应用的激光驱动或低压直流电机。
GaN是否可以更进一步，取代硅，在消费设备内部进行最终阶段的负载点(PoL)转换?理论上没有不可能发生的原因，然而，一些实际的原因使它特别具有挑战性。
像任何电子设备一样，GaN HEMT可以被分解成电阻区域。利用二维电子气(2DEG)产生的异质结性质的设备提供低晶体管通道和“访问”电阻。随着器件尺寸的减小，这些也将随着电压的增加而扩大。不幸的是，源极和漏极接触电阻没有，对于650v和40v设备，它们基本上是相同的。在650v时，它们相对不明显，但随着尺寸的减小，它们变得更加明显。
迄今为止，40v似乎是一个“甜蜜点”，在这个点上，这种权衡仍然是有意义的，低于这个值，硅仍然是更实用的解决方案。40v是我们在TechInsights分析的最低的GaN基器件。两种有效的功率转换EPC1015而且EPC21601都是这样的例子。图1中所示的GaN HEMT阵列的单元间距比我们现有的650v设备小6倍以上报道了．
图1。EPC21601 GaN HEMT源门区
同样值得记住的是，随着尺寸的减小，电容也将变得更加明显。当想要在高频下操作设备时，这是值得注意的- GaN产品的卖点之一。
追求这些较低的电压是有明确的兴趣的。一些公司甚至宣布了< 40v GaN的原型，例如Innoscience最近推出了一个15 V GaN HEMT原型，导通电阻*栅电荷值为13.1 mΩ。nC在今年的功率半导体器件国际研讨会上。我们已经观察到GaN产品中模拟元件集成的增长趋势，也许有一天我们可能会讨论真正的GaN电源管理集成电路(pics)。
问:垂直GaN设备会成为市场颠覆者吗?
答:近年来，垂直GaN fet的学术研究非常激烈。首先，值得定义垂直场效应晶体管的确切含义。
图2显示了我们目前在市场上看到的横向GaN hemt的简化版本，注意所有这些器件中的GaN都是生长在载流子衬底上的异质外延层。硅是最常见的，尽管碳化硅(SiC)和蓝宝石也被使用。
图2。简化横向GaN HEMT的布局
独立式GaN晶圆的生长是可能的，但昂贵的大面积基底仍处于起步阶段。解决这个问题的一种方法是“准垂直”结构。准垂直JFET如图3所示(理论上也可以通过这种方法制造二极管甚至mosfet)。这使用了稍微不同的GaN外延排列，但仍然需要载流子衬底。该底部漏触点是在一个高度掺杂的接触层上，该接触层延伸到该设备的下方。
该方法已在学术研究中流行，以证明垂直GaN器件的前景，但所需的器件面积很大。这一点，以及深度GaN蚀刻的必要性，使其从生产的角度来看不切实际。
图3。准垂直GaN JFET
真正垂直的GaN器件(结构类似于传统的Si功率FET或SiC FET)需要一个独立的GaN衬底，如图4所示。材料增长、质量和成本仍然是产品实现的最大挑战。由于这些因素，商用设备还有一段路要走，大规模生产最早也要到2030年。
图4。垂直GaN JFET
采用图4所示方法的公司是NexGeN电力系统．他们的网站吹嘘从~ 40v到超过4kv，频率性能高达10mhz和雪崩能力。我们将密切关注他们今后的进展。
然而，即使这些设备也是jfet。要实现真正的垂直GaN MOSFET，还需要进一步的工艺开发。
- GaN缺乏天然氧化物(SiO基栅介质可以在Si和SiC上热生长)，因此需要高质量的沉积介质。
- 上面讨论的jfet可以在大块GaN材料中形成通道，该通道被p型栅区(可能是外延生长的)掐断。具有精确的掺杂浓度控制和反转通道的植入p型体的前景仍然令人生畏。
为什么人们对这种方法如此感兴趣?650v GaN hemt在消费市场取得了成功1200v设备紧随其后．横向GaN HEMT结构从根本上限制了更高的电压，同时保留了具有竞争力的芯片尺寸。GaN的带隙实际上略高于SiC，因此GaN在功率谱的高端绝对有机会。
总之
GaN是一种优秀的材料，为动力器件制造提供了许多好处。到目前为止，我们已经看到没有“一刀切”的电力设备方法，这就是为什么我们看到硅，SiC和GaN都在市场上开辟了自己的利基市场。我们预计这种情况会持续一段时间，即使不是无限期的，尽管每个材料制造商肯定会觉得他们可以进入其他市场。
GaN的处理将继续取得进展，而硅已接近其理论极限。随着GaN器件成本的持续降低，它最终将不可避免地进入< 40v市场。垂直设备面临的挑战更大，但回报可能更大。
参考文献
- 最近的GaN创新，从消费者到数据中心和汽车(TechInsights2022年)。
- 高效功率转换EPC1015增强模式GaN-on-Silicon功率晶体管探索性分析报告(exr - 1005 - 801) techhinsights, 2010。
- EPC 21601 40V, 10A eToF激光驱动器IC电源平面图分析(再生能源- 2104 - 801) TechInsights, 2021年
- Navitas NV6128 650v GaN电源要件(pef - 2104 - 802) TechInsights, 2021年。
- 动态Rdson和Vth Free 15 V E-mode GaN HEMT提供低sFOM 13.1 mΩ•nC和超过90%的效率在10 MHz Buck转换器(ISPSD 2022论文集2022年)。
- NexGen垂直GaN™核心技术-实现电力电子领域的新标杆NexGen电力系统网站2022年)。
- 1200v氮化镓晶体管的诞生(TechInsights2022年)。
