一、氮化鎵之起源

通常，Ga面極性的GaN 晶體是通過有機金屬化合物化學氣相淀積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）生長，而 N 面極性的 GaN 晶體是通過分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）在一定的條件下獲得。

GaN因成為PD快充小型化的黑科技而被公眾所熟知，但GaN器件因其卓越的物理材料特性以及超級穩(wěn)定的化學結構，早已在其他應用領域中默默奉獻了數十載。

自從1928年，Johason等人首次合成了GaN，1960年才生長出單晶薄膜，直到1993年，美國南卡萊羅納大學的Khan成功地在藍寶石襯底上制造出[敏感詞]AlGaN/GaN HEMT。截止目前，其發(fā)展歷程總結歸納為三個里程碑時期：

LED照明、GaN射頻器件、GaN功率器件

LED：自從1991年日本研制出同質結GaN藍光 LED之后，GaN已是現今半導體照明中藍光發(fā)光二極管的核心材料，被廣泛應用到照明、顯示等領域。

GaN射頻器件：與Si、GaAS相比，GaN微波射頻器件具有高輸出功率、高效率、高頻率、大帶寬、可高溫環(huán)境工作、抗輻照能力強等優(yōu)良特性，是迄今為止100GHz范圍內最為理想的微波功率器件，因此在[敏感詞]、通訊和太空領域應用廣泛。如今，反彈道導彈雷達和美國空軍用來追蹤空間碎片的雷達系統(tǒng)“太空籬笆”也使用了GaN射頻器件。

GaN功率器件：GaN器件最初被開發(fā)用于射頻應用，隨著材料和器件制造技術的進步，GaN 功率器件開始成為Si功率器件的潛在替代品，目前已實現650V、900V電壓級別的工業(yè)化及商業(yè)化應用。

在介紹GaN器件的發(fā)展歷程中，不得不提GaNext的創(chuàng)始人——吳毅鋒博士，他幾乎伴隨、引領并推動了整個GaN器件行業(yè)的發(fā)展歷程。在GaN射頻器件和功率器件潛心耕耘近30年，他是GaN射頻器件功率密度的世界紀錄保持者，并率先攻克了GaN高壓功率器件設計和量產難題，成功開發(fā)并量產全球首批650V和900V商用GaN功率器件。

前后發(fā)明原始專利112項，發(fā)表專業(yè)科技文章250余篇，文章被引用超過17,000次。吳博士因此也當選IEEE Fellow（國際電氣電子工程師協(xié)會 會士），是GaN產業(yè)界[敏感詞]一位Fellow。

非常感謝吳毅鋒博士把先進的GaN技術和經驗帶回國，也相信擁有國際領先的GaN技術以及本土化的生產及營銷模式的GaNext（珠海鎵未來科技有限公司）可以更好的服務國內各行業(yè)客戶。

GaN 功率器件的結構圖

N型Si MOSFET 的結構

GaN功率器件是通過二維電子氣（2DEG）來實現導通的，而MOSFET則是通過反型層溝道實現導通。由于2DEG具有更高的電子密度和電子遷移率，因此，GaN功率器件具有更低的Rds(on) 和Coss，即導通損耗和開關損耗有很大改善，尤其在高頻工作模式下尤為顯著。

也因柵極下方存在二維電子氣溝道的緣故，GaN 器件的天性就是在Gate極在未施加電壓時，器件處于導通狀態(tài)，即Normally on——常開型。常開型模式對于GaN射頻器件影響不大，但做為功率器件是無法被接受的，因此市場上出現了不同的技術路線把Normally on的模式變成Normally off的模式，在下期會著重介紹GaN 功率器件的不同技術路線。

2DEG一般容易在異質結構中獲得，目前主流的異質襯底功率器件均采用AlGaN/GaN結構，通過異質結處產生的兩種不同禁帶寬度材料極化效應在交界面的壓電效應，故而形成2DEG導電。

再通俗易懂些，即可理解為：

AlGaN/GaN異質結是GaN功率器件特有的結構。極化效應（自發(fā)極化/壓電極化）顯著調制了 AlGaN/GaN異質結的能帶結構和載流子分布，即將AlGaN/GaN異質結處的GaN導帶拉低至費米能級之下，同時寬帶隙AlGaN一側的高勢壘，使得電子很難逾越至勢阱外，最終使得電子被束縛在 AlGaN/GaN異質結界面靠近GaN一側的“三角形”電子勢阱中， 從而實現高密度、高電子遷移率、高電子飽和速度的二維電子氣。

二維電子氣導電的優(yōu)勢：二維電子氣溝道導電性極強，因此GaN功率器件可實現低導通/開關損耗、高工作頻率和高功率密度等特性。

GaN器件與傳統(tǒng)的Si MOS不同，由于其不存在PN結，所以幾乎不存在反向恢復電荷Qrr ，使得開關損耗顯著減小。而Si MOSFET由于存在體二極管，正向導通模式時存儲了大量少數載流子，而少數載流子使得Si MOSFET的反向恢復特性很差，需要很大的反向恢復電荷和時間來中和少數載流子。

1).GaN功率器件 vs Si MOSFET

Si MOSFET的Qrr是GaNext的GaN FET的28.6倍。在排除Qoss之后，GaN反向恢復電荷Qrr為零，因此非常適合電流連續(xù)模式硬開關電路，比如圖騰柱無橋PFC、高壓同步整流等?？梢赃M一步提高開關頻率，減少磁性器件的體積，從而提升功率密度。

2). GaN另一個特點是反向恢復特性穩(wěn)定，不隨溫度變化。

將器件結溫由25°C室溫加熱至125°C高溫的過程中，反向恢復電流始終保持恒定。與之相反，Si MOSFET的反向恢復電流在125°C時增長超過一倍。因此，GaN在高溫下依然能夠表現出優(yōu)異的開關性能，這保證了GaN功率器件在不同溫度、電流以及開關速度下均能保持極小的開關損耗，有助于GaN應用于不同的領域。

在近幾年時間里，作為第三代半導體之一的GaN，從PD行業(yè)開始迅速發(fā)展，逐漸拓展到通訊、工業(yè)、數據中心電源、戶外儲能、光伏等應用領域。GaN的應用可提升轉換效率和提高功率密度，這對于注重能效，節(jié)能減排的今天，有著至關重要的意義。

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