最流行的 e-mode HEMT 結(jié)構(gòu)是在柵極上使用 p-GaN 層。實(shí)現(xiàn)的典型 Vt 在 1-2 V 范圍內(nèi)。HEMT 在開關(guān)應(yīng)用中的固有優(yōu)勢(shì)得以保留，并且開關(guān)損耗可以更低。e-mode 器件的主要缺點(diǎn)之一是其低 Vt，這可能導(dǎo)致柵極對(duì)噪聲和 dV/dt 瞬態(tài)的抗擾度較差。出于可靠性原因，最大柵極電壓通常限制為 6-7 V，并且可能需要負(fù)電壓來(lái)關(guān)閉器件。封裝和柵極電阻 (Rg) 的選擇對(duì)于確保安全和穩(wěn)健的器件運(yùn)行變得更加重要。低柵極電感 (Lg) 和共源電感 (Lcs) 確保過沖和振鈴控制，以防止錯(cuò)誤的器件開啟?？赡苄枰性疵桌浙Q位以及與源極的開爾文連接以改進(jìn)柵極電壓控制。硬開關(guān)應(yīng)用中的死區(qū)時(shí)間損失也很大，尤其是在負(fù)柵極電壓條件下，由于缺少續(xù)流二極管導(dǎo)致的反向源漏 (Vsd) 電壓較高。

多家公司提供 e-mode GaN 產(chǎn)品，例如 Navitas、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Power International、GaN Systems、英飛凌、Innoscience、Cambridge GaN Devices、Rohm、意法半導(dǎo)體和 Wise Integrations。鑒于上述柵極驅(qū)動(dòng)的限制，許多人選擇了更集成的方法，我們將在下面討論。

柵極驅(qū)動(dòng)魯棒性

Cambridge GaN Devices (CGD) 創(chuàng)造了一種集成了柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器的單片芯片。有效 Vt 增加到 3 V，使其與現(xiàn)成的柵極驅(qū)動(dòng)器兼容。該集成包括用于高 dV/dt 操作的米勒鉗位。集成的 Kelvin 和源電流檢測(cè)無(wú)需額外的源電阻即可實(shí)現(xiàn)柵極監(jiān)控和控制，從而允許將低側(cè) FET 源極焊盤直接接合到接地層以改善冷卻效果。

單片全GaN集成

Navitas 通過將柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路集成到單個(gè)芯片中的工藝進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了集成。

電感 Lcs 和 Lg 降低，從而避免了柵極過沖和快速的柵極關(guān)斷時(shí)間，從而大大降低了關(guān)斷損耗。集成了電流檢測(cè)以及壓擺率控制，以優(yōu)化硬開關(guān)事件期間的開啟，從而最大限度地降低 EMI。過溫 (OTP) 和過流 (OCP) 等保護(hù)功能提高了魯棒性。

手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)類快速充電器應(yīng)用在消費(fèi)類快速充電器市場(chǎng)(約 20 至 300 W)的整個(gè) GaN 市場(chǎng)中占有主導(dǎo)地位。其他應(yīng)用包括激光雷達(dá)、照明、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電信電源。

封裝創(chuàng)新是具有上述限制的電子模式設(shè)備的關(guān)鍵。這方面的一個(gè)例子所示的 GaN Systems 的 GaNpx 封裝。這是一種無(wú)引線鍵合嵌入式封裝，它利用通孔銅通孔實(shí)現(xiàn)低熱阻和低電感封裝。他們的 GS66516T 產(chǎn)品的結(jié)殼熱阻僅為 0.27 K/W，與傳統(tǒng)的 TO-247 封裝相比毫不遜色。數(shù)據(jù)中心電源的高功率密度超過 80 W/in 3 已得到證實(shí)。

垂直GaN FET

橫向 GaN HEMT 主要專注于 < 800 V 的應(yīng)用空間。采用 Si 或碳化硅 (SiC) 制成的垂直功率器件在 > 700 V 應(yīng)用空間中占據(jù)主導(dǎo)地位。最近人們對(duì)在 GaN 襯底上制造的 GaN 垂直器件產(chǎn)生了興趣，以克服橫向器件的一些高電壓限制。Nexgen Power Systems 和 Odyssey Semi 是兩家致力于此類設(shè)備的公司。

“垂直 GaN 對(duì)功率器件很有意義。Si 和 SiC 大功率器件是垂直的，其優(yōu)點(diǎn)是 BV 由外延特性決定，而不是由橫向芯片尺寸決定。垂直電流有助于熱傳導(dǎo)，提供更低的 Rds on并且本質(zhì)上更可靠。垂直 GaN 在 SiC 目前所追求的電壓下提供了 GaN 的寶貴開關(guān)特性，”O(jiān)dyssey Semi 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說(shuō)。

Davidson 解釋說(shuō)：“當(dāng)由于芯片尺寸變得太大而需要額定電壓高于 900 V 時(shí)，橫向 GaN on Si 功率器件具有實(shí)際限制。我們將我們的垂直 GaN FET 與 1200 V 橫向電壓進(jìn)行了比較——對(duì)于相同的 Rdson，橫向 GaN FET 裸片尺寸是我們垂直的 5 倍。與 SiC 相比，材料在遷移率和更高臨界領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)在特定導(dǎo)通電阻方面提供了 10 倍的優(yōu)勢(shì)。如圖 8 所示，這使得在 4 英寸 GaN 晶圓上制造的垂直 GaN 裸片比在 6 英寸晶圓上制造的 SiC 裸片具有成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供了顯著的性能優(yōu)勢(shì)。”

“Odyssey 已經(jīng)驗(yàn)證了我們生產(chǎn) 1200 V 垂直 GaN 器件的方法，下一步的重點(diǎn)是可重復(fù)性、良率和客戶反饋。我們?cè)诩~約自己的晶圓廠快速學(xué)習(xí)，快速創(chuàng)新。我們已經(jīng)看到汽車和其他客戶的濃厚興趣，他們將垂直 GaN 視為提高效率和功率密度的重要下一步”，Davidson 指出。

氮化鎵供應(yīng)鏈

來(lái)自 Yole Group 的 2022 年功率 GaN 報(bào)告，其中對(duì)銷售 GaN 功率產(chǎn)品的公司及其制造供應(yīng)鏈進(jìn)行了細(xì)分。只有 TI、Transphorm 和 Innoscience 等少數(shù)公司擁有包括設(shè)計(jì)、外延和器件加工在內(nèi)的垂直整合制造能力。Nexperia 等其他公司擁有自己的 Fab，但依賴外部外延供應(yīng)商。使用臺(tái)積電、三安集成電路和 Episil 等代工廠的 Fabless 公司包括 CGD、Navitas、GaN Systems、EPC 和 Wise Integration。垂直 GaN 公司 Nexgen 和 Odyssey 都有自己的 Fab。