氮化镓 (GaN) 是一种宽禁带 (WBG) 半导体材料，与硅或碳化硅相比，具有优越的电性能和效率。本文基于将分析氮化镓的主要特性及其在电力应用中作为垂直导电功率器件所带来的益处。

　　芯片尺寸

　　在相同的电气特性下，如击穿电压、导通电阻和最大电流，基于氮化镓的垂直导电功率器件所需的芯片表面积比基于硅和碳化硅的器件更小，从而增加了每片晶圆的芯片数量(良率)。如图1所示，基于垂直GaN的器件在相同性能下可以缩小芯片面积最多达十倍。

图1

　　缩小芯片尺寸有两个重要好处：

　　成本降低，因为相同尺寸的晶圆可以生产更多的器件。

　　电容的减少最多可达十倍，从而有可能在不影响效率或增加功率损耗的情况下提高晶体管的开关频率。

　　高开关频率在电力转换电路和开关电源(SMPS)中至关重要，广泛应用于消费电子、电动汽车和工业机械等领域。随着开关频率的提高，这些电路所需的无源元件(主要是电感器和电容器)的尺寸将减小，从而影响解决方案的整体尺寸。这意味着，与基于SIC的等效方案相比，基于垂直GaN器件的解决方案可以将体积和重量减少最多四倍。

　　水平结构与垂直结构

　　当前的GaN晶体管属于HEMT(高电子迁移率晶体管)类型。最初为射频 (RF) 应用开发，后来其结构被修改以适应开关应用。

　　如图2所示，GaN HEMT晶体管的端子位于晶圆表面，而电流通过在AlGaN和GaN界面之间由于这两种材料的极化差异而创建的通道流动。这种结构不需要对半导体进行掺杂，但其缺点是晶体管处于“通常导通”状态，因为电流通常可以从源端流向漏端，直到在栅端施加偏置电压。由于这一点对电路安全至关重要，这些晶体管通常与控制其激活的硅开关耦合。

图2

　　相反，大多数基于硅和碳化硅的晶体管具有一种电流在源端和漏端之间垂直流动的结构。这些增强模式器件通常处于关闭状态，直到在栅端施加偏置电压。垂直GaN相对于水平GaN的另一个优点是能够承受高电压。在垂直GaN中，电压随着外延层的厚度增加而增加。在水平GaN中，必须增加芯片尺寸以适应更高的电压。对于额定1200V的器件，水平GaN器件的尺寸大约是等效垂直GaN器件的五倍，且如上所述具有更低的电容额外好处。

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