氮化鎵技術在電力電子應用中的理解

逍遙設計自動化

氮化鎵技術簡介
% H7 j% C7 l; y2 Z' X7 b9 S氮化鎵(GaN)技術在電力電子領域帶來革命性進步，相比傳統(tǒng)硅基器件具有顯著優(yōu)勢。本文將探討GaN技術的基本特性、結(jié)構(gòu)、應用及性能特點[1]。
& @0 S( U) [- b9 B" I4 n
材料特性與構(gòu)型
GaN同時具有比硅和碳化硅(SiC)更高的載流子遷移率和臨界電場。采用相對經(jīng)濟的GaN-on-Si晶圓使GaN在中高端應用中更具競爭力，特別是在成本敏感的場景下。

圖1展示了不同材料和技術的特定Ron與擊穿電壓限值的關系，顯示了GaN相比硅和SiC的卓越性能特征。

- b# V- r) R& z$ N! I3 IGaN器件的橫向構(gòu)型具有以下優(yōu)勢：
; V+ Z0 ~" l& q# o6 K

可實現(xiàn)傳感、保護和驅(qū)動線路的單片集成

所有端子易于訪問

支持半橋器件集成

可與硅器件簡單混合集成

封裝更簡單且成本更低
1 O# ~. V5 k* O, }" e
2 _9 W' W1 ~# Y/ s! d9 J器件結(jié)構(gòu)與運行原理

圖2對比展示了摻雜硅晶體管與GaN HEMT的截面結(jié)構(gòu)，顯示了兩種技術的基本結(jié)構(gòu)差異。
! ~# `* H8 W! t* B
對于任何GaN HEMT應用，驅(qū)動線路的合理設計和優(yōu)化對構(gòu)建高效可靠的系統(tǒng)具有根本作用。驅(qū)動線路需要為開關柵極提供適當?shù)碾妷汉碗娏鱽砜刂崎_關過程。
2 o7 W* u3 L$ s: V6 r& R
驅(qū)動線路與功率集成

4 A" e5 `# }' N9 Q: Y9 d& I9 H圖3展示了肖特基柵GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驅(qū)動線路，顯示了不同類型所需的配置。
; x) j$ C% V. u3 u& c% i
. l. S2 K5 |  ]GaN功率集成電路的出現(xiàn)代表技術的重大進步。集成實現(xiàn)了關斷時幾乎零損耗，因為關斷柵極驅(qū)動回路基本沒有阻抗。

圖4顯示了新型高頻有源鉗位拓撲和GaN功率集成電路如何實現(xiàn)無源元件縮小和整體功率密度提高3倍。
2 K+ u8 Z  [, `* q1 x  E
動態(tài)特性表征的挑戰(zhàn)
GaN功率器件的動態(tài)特性測量面臨獨特挑戰(zhàn)，因為電壓轉(zhuǎn)換(dv/dt)和電流轉(zhuǎn)換(di/dt)極快。這些快速轉(zhuǎn)換與測試線路中的寄生元件相互作用，可能產(chǎn)生過高的電壓或電流。
9 h( q  ^# {% v- V2 S
圖5展示了GaN FET開關測試中的振蕩和振鈴結(jié)果，說明了動態(tài)表征中的挑戰(zhàn)。

& X, E- }7 u) g: m3 K; y+ g/ L9 ~* \垂直GaN技術
垂直GaN技術的發(fā)展代表另一個重要方向。垂直GaN能夠?qū)崿F(xiàn)700-900V以上阻斷電壓的實用擴展，因為阻斷電壓隨外延特性而不是芯片面積變化。

* J! ~2 E. L0 X; g2 _圖6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直導電GaN晶體管，顯示了垂直器件的基本結(jié)構(gòu)。
) f$ o: X8 {1 S5 w
2 s8 _5 h% Z, q' r  J, j) Y% K2 S# T可靠性與測試
可靠性是GaN技術最關鍵的方面之一。制造商采用全面的測試程序來確保器件在各種工作條件下的可靠性。
( H2 ]* z8 c) q, n# f2 ~
) B& y7 o: u- y2 C1 `; h( N) V; j圖7展示了英飛凌的四支柱GaN器件認證方法，顯示了確保器件可靠性的綜合方法。
' b3 {# t+ Q: `" o6 l
5 ]; z5 {- M. i9 A( Q8 i應用與發(fā)展方向
: B% d- b' z- M& _) g) r2 X9 v隨著GaN技術的不斷成熟，已在數(shù)據(jù)中心、電動汽車和工業(yè)電機驅(qū)動等領域獲得應用。這種技術在保持高效率的同時能夠在更高頻率下工作，使其在新一代電力電子應用中具有特殊價值。
) f- M- Q, i  ]6 E6 L# P2 w6 t7 j$ H
; Q$ L7 A$ W' B. |3 `: n圖8展示了GaN半橋功率集成電路示意圖和電機逆變器實例及其良好的散熱性能，展示了在電機控制系統(tǒng)中的實際應用。

結(jié)論
GaN技術在電力電子領域展現(xiàn)出卓越的性能特征，遠超傳統(tǒng)硅基器件。盡管在動態(tài)表征和可靠性測試等方面仍存在挑戰(zhàn)，但橫向和垂直GaN技術的持續(xù)發(fā)展正在推動高性能電力電子應用的進步。

參考文獻
0 N* O2 z2 l8 L  ?[1] M. Di Paolo Emilio et al., "GaN Technology," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 4, pp. 49-106. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_4

END
& I- n, H" }) B, I* |4 q

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
8 z& K4 t% g" b6 s  l2 j4 b$ ^, N" F點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
3 |  {; `0 A/ r" t
" k% @) Z1 \7 f' v3 A5 p- J) u& ?歡迎轉(zhuǎn)載
8 o6 N4 q9 P6 ?% t
; N/ v0 v; [0 k. a轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
! }4 x! n. d$ p  I
, C& {/ P! |4 s& ^" ?+ X
" j# D7 J$ b% F' [' d9 `) q
% v& k3 q; n6 y  v
8 Z  p+ Q" ?0 r2 c
關注我們
0 [6 L) j/ Q8 O3 v3 P2 q

& r0 ?3 ]$ @4 d& l" w: _ 9 {8 A7 c) b7 {* {

                     



關于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。
5 N0 @! r- l8 E6 ]  U' o# p9 y. v
5 L( t* [& a& s5 f2 jhttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）