GaN功率器件及其应用现状与发展

秦海鸿，董耀文，张　英，徐华娟，付大丰，严仰光

(南京航空航天大学 自动化学院，南京 211106)



GaN功率器件及其应用现状与发展

秦海鸿，董耀文，张英，徐华娟，付大丰，严仰光

(南京航空航天大学 自动化学院，南京 211106)

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。现有硅基电力电子器件的性能已经逼近其材料极限，很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以氮化镓为代表的宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能，成为电力电子器件的研究热点。介绍了氮化镓电力电子器件的商业化产品水平和实验室研究现状，阐述了其在典型场合中的应用，并剖析了其发展中存在的挑战。

宽禁带半导体器件； 氮化镓； 电力电子技术； 现状； 发展

电力电子变换器广泛应用于航空、电动汽车、工业设备和家用电器等众多领域，其普遍发展趋势是如何进行高效率的功率变换和如何实现更高的功率密度或功能密度[1]。新一代电力电子变换器面临着很大的挑战，要求其具有更高效率、更高功率密度和在高温环境下可靠工作[2-3]。电力电子器件是电力电子技术的重要基础，器件的性能对整个电力电子装置的各项技术指标和性能有着重要的影响。目前，电力电子变换器中普遍采用Si基功率器件，然而硅电力电子器件经过近60年的长足发展，性能已经趋近其理论极限，通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步已经难以大幅度提升其总体性能，不能满足下一代电力电子变换器高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求，逐渐成为制约未来电力电子技术进一步发展的瓶颈之一[2]。基于新型宽禁带半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，成为功率器件的研究热点。目前，宽禁带半导体器件中碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)电力电子器件均已有商业化产品，对宽禁带器件进行相关应用问题的研究有助于其在更广阔的领域得到应用。

宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定等特点。因此，基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温性能好等特点。与SiC材料不同，GaN材料除了可以用于制作器件外，还可以利用GaN所特有的异质结结构制作高性能器件。GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上，在价格低、工艺成熟、直径大的Si衬底上生长的GaN器件具有低成本、高性能的优势，因此，受到广大研究人员和电力电子厂商的亲睐。

本文对GaN二极管和GaN HEMT的发展现状进行了介绍，对其在典型电力电子变换器中的应用现状进行了探讨，并对其在进一步发展中所面临的挑战进行了论述。

1　GaN器件研究现状

1.1GaN二极管

GaN功率二极管包括两种类型：GaN肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)和PN二极管。GaN肖特基二极管主要有横向、垂直和台面3种结构(见图1)。横向结构利用AlGaN/GaN异质结结构，在不掺杂的情况下就可以产生电流，但横向导电结构增加了器件的面积以及成本，且器件的正向电流密度普遍偏小。垂直结构是一般电力电子器件主要采用的结构，可以产生较大的电流，有很多研究机构利用从外延片上剥离下来的厚的GaN独立薄片做成纵向导电结构的SBD，但是该种外延片缺陷密度高，制造出来的器件虽然电流较大，但是反向漏电流也非常大，导致其击穿电压与GaN材料应达到的水平相距甚远。因此，对于垂直结构GaN SBD的研究主要还是停留在仿真以及改善材料特性阶段。台面结构，也称为准垂直结构，一般是在蓝宝石或SiC衬底上外延生长不同掺杂的GaN层，低掺杂的N-层可以提高器件的击穿电压，而高掺杂的N+层可形成良好的欧姆接触，这种结构结合了横向结构和垂直结构的优点，同时也具有自身的缺点，其优势是可以与传统工艺兼容，将尺寸做得比较大[5]。

图1　GaN肖特基二极管结构示意图Fig.1　Structure of GaN Schottky diode

图2为PN二极管结构示意图，其衬底为2英寸厚的N++掺杂GaN体，同质外延层通过金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)的方法制造[6]。根据击穿电压的不同，N型缓冲层的掺杂浓度范围是(1～3)×1016/cm3，厚度为5～20μm。目前为止，耐压为3.7kV的GaN PN二极管已经在GaN体晶片上制作完成[7]；该种器件具有很高的电流密度、较高的雪崩击穿能量承受能力和非常小的漏电流。

图2　GaN PN二极管结构示意图Fig.2　Structure of GaN PN diode

目前，EPC、恩智浦、Avogy、Sanken Electric等半导体公司都在研制生产电压等级为600V的GaN SBD产品，但商业化的GaN SBD产品种类仍然较少。在GaN二极管商业化方面，Avogy公司走在前列，该公司不仅提供了600V的GaN SBD商用产品，而且1.7kV的PN型二极管也已上市[8]。表1给出了Avogy公司商业化的GaN二极管产品。

表1　Avogy公司的GaN二极管产品

注：URRM为反向重复峰值电压；If为通态平均电流；IR为反向恢复电流；Qc为总电容电荷。

目前，商业化的GaN SBD的最高耐压只有600V，0.6～1.2kV耐压范围内的GaN SBD仍在小批量试验阶段，估计不久将会有商用产品。在实验室研究中，蓝宝石基底的GaN整流器的击穿电压已高达9.7kV，但存在正向压降较高的问题。另一方面，GaN JBS二极管也在研究中，其应用于0.6～3.3kV的电压领域，可大大提高GaN功率整流器的性能，但是GaN JBS的接触电阻问题仍需改善。

1.2GaN高电子迁移率晶体管

在GaN所形成的异质结中，极化电场显著地调制了能带和电荷的分布。即使整个异质结结构没有掺杂，也能在GaN界面形成密度高达(1～2)×1013cm-2，且具有高迁移率的二维电子气(Two-dimensional Electron Gas, 2DEG)。2DEG沟道比体电子沟道更有利于获得强大的电流驱动能力，因此，GaN晶体管以GaN异质结场效应管为主，该器件结构又称为高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)。

常规的GaN HEMT由于材料极化特性，即使不加任何栅压，在沟道中也存在高浓度的2DEG，使得器件处于常通状态，即为耗尽型器件，如图3所示[9]。

图3　常通型GaN HEMT的截面图Fig.3　Structure of normally-on GaN HEMT

为了实现关断功能，必须施加负的栅压。而在最为常用的电压型功率变换器中，从安全和节能等角度都要求功率开关为常断状态，因此，现在大量研究工作致力于实现增强型GaN HEMT器件。目前，增强型的GaN HEMT已有栅下注入氟离子、金属氧化物半导体(MOS)沟道HEMT以及P型GaN栅等实现方法，均已获得击穿电压高于600V的器件。由于常通型器件在电压型功率变换器中并不常用，故生产销售常通型GaN器件的公司很少，其中，具有代表性的是microGaN公司，其常通型GaN器件MGG1T0617D的参数如表2所示[10]。

击穿电压在30～600V 内的常断型GaN HEMT器件已经商业化。如EPC公司供应30V/9.5A～300V/6.3A 的常断型GaN HEMT[11]；GaN Systems公司提供耐压650V的增强型GaNHEMT[12]。常断型GaN HEMT的典型产品型号及参数如表3所示。

表2　常通型GaN HEMT器件MGG1T0617DD的参数

注：UDS为漏源电压；RDS(ON)为导通电阻；IDmax为漏极平均电流最大值；UGS(DC)为栅源电压；UGS(th)为导通阈值电压；Ciss为等效输入电容；Coss为等效输出电容

表3　常断型GaN HEMT器件型号及其参数

目前，EPC公司的常断型GaN HEMT器件耐压最高只有300V，而能生产650V耐压的常断型GaN HEMT器件的企业也仅有GaN Systems公司，且规格、种类较少。因此，一种由高压常通型GaN HEMT和低压Si MOSFET级联构成的Cascode结构常断型GaN HEMT器件受到各大GaN器件生产商的重视，该器件的耐压目前通常为 600V，其典型产品型号及参数如表4所示[13-14]。

表4　常断型Cascode GaN HEMT器件型号及其参数

2　GaN器件应用现状

由于GaN器件比现有Si器件具有更优的器件性能，引起了电力电子变换器研究工作者的兴趣。目前研究人员已针对GaN器件在AC/DC、DC/DC变换器、DC/AC电动机驱动器和光伏发电等场合中的应用进行了研究。

2.1GaN器件在AC/DC变换器中的应用

2.1.1Boost型PFC电路Boost变换器是 65W 以上功率等级具有功率因数校正功能的AC-DC变换器最常用的电路拓扑，由于采用Si快恢复二极管和CCM工作模式，反向恢复问题严重。图4给出了开关频率为100kHz的Boost电路中整流二极管的电压和电流波形[15]，采用超快恢复Si二极管和Avogy的GaN PN二极管进行对比可见，GaN PN二极管无反向恢复问题，大大改善了电路性能。

图4　100kHz的Boost变换器中整流二极管的工作状态Fig.4　Working state of rectifier diodes in10kHz boost converter

2.1.2LED驱动器LED是目前最为重要的照明用具，其可靠工作依赖于高效工作的LED驱动器。在开关频率为300kHz，额定功率为 20W 的离线式LED驱动器中(见图5中插图)，对分别采用相同电压等级(600V)的GaN SBD、SiC MPS二极管和Si基超快恢复二极管的LED驱动器整机效率进行了对比研究[6]。由图5可知，与Si基超快恢复二极管相比，GaN SBD应用于LED驱动器时，使整机的效率大大提高；与SiC MPS二极管相比，采用GaN SBD构成的整机在效率上有微小的提升。

图5　LED驱动器整机的效率曲线Fig.5　Efficiency curve of LED driver

2.2GaN器件在DC/DC变换器中的应用

2.2.1正激变换器正激变换器是最为常用的单端隔离式DC/DC变换器之一，在正激变换器中对GaN场效应晶体管(Field Effect Transistor, FET)和Si MOSFET进行了对比研究。正激变换器的主要技术规格如下：输入电压Uin=480V(DC)，输出电压Uo=5V，额定输出功率Po=26W。正激变换器采用第3个绕组去磁方案，副边采用同步整流，主电路如图6所示。用于对比的器件如表5所示[11]。

图6　同步整流正激变换器Fig.6　Synchronous rectifier forward converter

器件类别型号UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM开关管/(mΩ·nC)原边开SiMOSFETFDS25821504.166.0194.41254290 关管GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副边同步SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838 整流管GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

注：QG为栅极充电电荷；QGD为栅漏极充电电荷；FOM为器件品质因数

图7给出了开关频率分别为300、500kHz时，应用GaN FET和Si MOSFET的正激变换器效率对比。

图7　GaN FET基和Si MOSFET基正激变换器效率对比Fig.7　Efficiency comparison of GaN HEMT vsSi MOSFET for forward converter

由图7可知：

(1)开关频率为300kHz，轻载时，采用GaN FET仅能使正激变换器的效率有微小提升；满载时，采用GaN FET使正激变换器的效率有明显提升，尽管电压定额高些的GaN FET的通态电阻接近于Si MOSFET的2倍。

(2)频率升高时，采用GaN FET可以明显提高正激变换器的效率。开关频率为500kHz时，GaN基正激变换器与Si基正激变换器相比，轻载时的效率提升约5%；满载时的效率提升约2%。

(3)频率升高到500kHz时，采用GaN FET的正激变换器效率与 300kHz 相比仅有微小降低，这主要是为保持500、300kHz 下的输出电流纹波相等，故它们的输出滤波电感值不同。与500kHz相比，开关频率为 300kHz 时，输出滤波电感的直流电阻降低了约5mΩ，体积减小了1/2。若电感值不变，两个频率下的效率基本保持不变。

2.2.2反激变换器反激变换器也是最为常用的单端隔离式DC/DC变换器之一，且通常作为多路输出机内电源拓扑。在反激变换器中对GaN FET和Si MOSFET进行了对比研究。反激变换器的主要规格如下：Uin=48V，Uo=3.3V，Po=13W[12]。反激变换器如图8所示。用于对比的器件如表6所示。

图8　反激变换器Fig.8　Flyback converter

器件类别型号UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM开关管/(mΩ·nC)原边功率管SiMOSFETFDS25821504.166.019.04.41254290GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副边整流管SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

由表6可见，用于对比的Si MOSFET的通态电阻比GaN FET小50%左右，而GaN FET的栅极电荷比Si MOSFET小。图9给出开关频率为300、400kHz，分别应用GaN FET和Si MOSFET时的反激变换器的效率对比。

图9　GaN FET基和Si MOSFET基反激变换器的效率对比Fig.9　Efficiency comparison of MOSFET vsGaN FET for flyvback converter

由图可知，在该规格的反激变换器中：

(1)当开关频率为300kHz时，采用两种不同功率器件的效率相近；

(2)当开关频率提高到500kHz时，GaN基反激变换器的效率比 300kHz 开关频率时降低0.5%左右，而Si基反激变换器的效率下降幅度高达2%。

2.2.3全桥变换器采用全桥变换器的“砖块型”电源模块广泛应用于通信、服务器系统中。以1/8砖电源模块为例，采用现在最常用的散热方式，满载时最大的功耗处理能力是12～14W。若满载效率为90%，则最大输出功率为120～140W。如果满载效率提高2%，则满载输出功率可提高160W，增长率为28%。在1/8砖全桥变换器中对Si MOSFET和GaN FET进行了对比研究。1/8砖全桥电路变换器主要技术规格如下：Uin=48V，Uo=12V。全桥变换器副边采用全桥同步整流电路。图10给出了采用Si MOSFET和GaN FET的全桥变换器效率和损耗对比[16]。

图10　采用Si MOSFET和GaN FET的全桥变换器的效率和功率损耗对比Fig.10　Efficiency and power loss comparison of Si MOS-FET vs GaN FET for full bridge converter

尽管采用GaN FET时的全桥变换器的开关频率(375kHz)比采用Si MOSFET时的开关频率(250kHz)高50%，但前者效率仍比后者高。在功率损耗相同的情况下，GaN基全桥变换器的输出功率为200W，比Si基全桥变换器输出功率(144W)高出近40%。

2.3GaN器件在电动机驱动中的应用

Si IGBT是目前电动机驱动器常用的功率器件，但其存在电流拖尾问题，开关频率受到限制[17]。对异步电动机驱动系统分别采用Si IGBT和GaN HEMT作为功率器件进行了对比研究。图11所示为三相异步电动机驱动示意图。三相桥式逆变器分别采用GaN HEMT 6合1模块(图12(a))和Si IGBT 6合1模块(图12(b))。

与采用Si IGBT的电动机驱动系统相比，采用GaN HEMT的电动机驱动系统增加了滤波器，如图12中虚线框所示。由于GaN HEMT的开关频率可以取得较高，从而可采用较小尺寸的正弦滤波器，进一步减小进入电动机绕组中的谐波电流分量，减小电流损耗。

图12　采用Si IGBT和GaN HEMT模块的电动机驱动系统Fig.12　Comparison of Si IGBT and GaN HEMT module in motor drive system

图13为采用不同器件的电动机驱动器的效率对比。由图可见，采用GaN HEMT的电动机驱动器和整个驱动系统的效率均比采用Si IGBT的要高；这是由于GaN基电动机驱动器中的正弦滤波器把PWM开关波形中高次谐波对电动机的影响转移到了滤波器，以较小尺寸的滤波元件和较小的滤波器损耗为代价，大大降低了高次谐波给电动机带来的额外损耗。在电动机输出功率相同的情况下，采用GaN HEMT的电动机驱动系统，比采用Si IGBT的电动机驱动系统的效率高约3%。

图13　电动机驱动器和电动机驱动系统效率对比Fig.13　Efficiency comparison of Si IGBT vs GaN FETfor motor drive and motor drive system

2.4GaN器件在光伏发电系统中的应用

大多数光伏发电系统的前级会采用升压式直流变换器，以提升后级逆变器输入电压的等级，同时使逆变器的输入电压稳定，而直流变换器的拓扑一般选择Boost变换器[18]。在Boost变换器中对GaN FET和Si MOSFET进行了对比研究[19]。Boost变换器的主要规格如下：Uin=15V，Uo=48V，其电路如图14所示。GaN基变换器和Si变换器参数对比如表7所示。

图14　Boost变换器电路Fig.14　Boost converter

参数fsw/kHzL/μHCin/μFCout/μFPloss/WGaN基变换器3008.32.85.73.44Si变换器6004.21.53.03.29

注：fsw为开关频率；Cin为输入端电容；Cout为输出滤波电容；Ploss为功率损耗

图15为采用不同功率器件的变换器的效率及功率损耗对比。由图可知，Si基和GaN基变换器的功率损耗和最大输出功率能力相近，但GaN变换器的体积更小，功率密度更高。

图15　GaN基与Si基变换器的效率及功率损耗对比Fig.15　Efficiency and power loss comparison of SiMOSFET vs GaN FET for boost converter

3　GaN功率器件发展道路上的挑战

尽管目前GaN功率器件已取得了长足进步且逐步进入市场，但其依旧存在许多不可忽视的问题，要真正取代Si基器件成为市场主流，仍存在很大的挑战。

(1)材料生长方面。高品质的外延材料是GaN基功率器件的技术核心。与Si相比，SiC和蓝宝石晶格失配更小，且热导率更低，对于大功率器件而言，这些都是不可或缺的优点[20]，但其成本过高，很难商业化。虽然Si与GaN的晶格失配较大，但其成本低廉，故硅衬底依旧是目前GaN基功率器件的主流技术；并且，由于其异质结构，GaN功率器件以横向结构偏多，尽管这使其在高频领域得到了青睐，但也限制了它的大功率特性，目前的共识是GaN更适合应用于中低压高速开关领域(<1.2kV)，如功率因数校正器(PFC)、光伏逆变器等。

(2)器件技术方面。主要存在3个问题：① 提高耐压。这是制作功率器件首先要考虑的问题，一方面这与GaN本身的材料特性有关，另一方面也与器件结构、衬底质量等因素密切相关。目前，提高器件击穿电压的方案主要集中在改进衬底结构、改进缓冲层结构和改进器件结构3个方向[21]。② 制作常断型(增强型)器件。与耗尽型器件不同的是，常断型器件在不加栅压时保持常断状态，这对于以电压型变换器为主的电力电子装置而言意味着可以确保系统安全可靠工作，提高系统稳定性。目前业界普遍采用槽栅[22]、p-GaN栅[23]或P-AlGaN栅和氟离子注入等方法直接实现常断型[21]。③ 电流崩塌效应抑制。电流崩塌，即在漏极电压较大且开关频率较高时，漏源间导通电阻大大增加的现象[24]。目前抑制电流崩塌的方法主要有[25-30]表面钝化处理、采用场板结构、生长P型帽层和势垒层掺杂。另外，采用级联结构的GaN器件也可以抑制电流崩塌现象，但这不属于GaN自身结构的改善，且其应用受到低压Si MOSFET的限制。

4　结　语

电力电子器件的发展推动着电力电子技术的不断发展，促使电力电子装置不断提高性能。宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定等特点，使得GaN基电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温性能好等优点，在电力电子、微波通信、光伏逆变、照明等应用领域具有Si材料无法企及的优势，有着重大的战略意义，相信在不久的将来GaN作为第3代半导体材料中的优秀代表会得到更广泛的应用。

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Development and Application of Gallium Nitride Power Devices

QIN Haihong，DONG Yaowen，ZHANG Ying，XU Huajuan， FU Dafeng，YAN Yangguang

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, College of Automation Engineering, Nanjing 211106, China)

Power electronic devices are an important basis for power electronic technology.After a long period of development, silicon based power devices exhibit unavoidable physical limitations in improving performance of silicon based power converters.On the other hand, gallium nitride based devices have better performance due to their outstanding properties, and become a new trend in developing power electronic devices.This paper presents reviews the recent progresses in the commercial and experimental developments of gallium nitride based power semiconductor devices, and their applications.Moreover, a forecast of applications of wide-bandgap power semiconductor in the future power electronic device market is given.

wide-bandgap semiconductor device; gallium nitride(GaN); power electronic technology; present situation; development

2016-06-15

教育部博士点基金资助项目资助(20123218120017)；中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(NS2015039；NJ20160047)；江苏高校优势学科建设工程项目资助

秦海鸿(1977-)，男，副教授，博士，主要研究方向为宽禁带功率器件应用技术、功率变换技术、电机控制，

E-mail：qinhaihong@nuaa.edu.cn

2095-0020(2016)04-0187-10

TN 386

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