过去两年中，氮化镓虽然发展迅速，但似乎已经遇到了瓶颈。与此同时，不少垂直氮化镓的初创企业倒闭或者卖盘，这引发大家对垂直氮化镓未来的担忧。为此，在本文中，我们先对氮化镓未来的发展进行分析，并讨论了垂直氮化镓器件开发的最新进展以及相关的可靠性挑战。
氮化镓功率器件正在渗透并提高包括快速充电器和电源在内的多种消费类应用的效率。大众市场对此反应热烈，氮化镓的应用在手机和笔记本电脑等便携设备（功率范围在 65 到 250W 之间）的快速充电器以及高达 3.2 kW 的电源中蓬勃发展。
随着氮化镓开始在低功率应用中部署并证明其在现场的可靠性，我们现在看到了氮化镓渗透到高功率应用的机会，这将对经济、生态和社会产生更实质性的影响。强大的机遇存在于能量收集、汽车、数据中心和人工智能领域。为了实现这一目标，必须对重要元素进行完善。为了提供高功率，氮化镓必须处理高电压和高电流，不仅要高效，还要安全、可靠且低成本。氮化镓拥有所有成功的特性。
在本文中，我们将介绍突破性的赋能技术：1200V 额定值、大外延氮化镓器件（电流额定值高达 170A，单芯片功率高达 14kW 的记录）、高达 5μs 的短路能力（用于故障安全操作）以及用于新型、更紧凑电路拓扑的单片双向开关，从而实现更轻、更小、更高效、更可靠的转换系统。
氮化镓 HEMT 具有独特的优势，可以服务于商业上重要的宽电压范围，从 100V 到 1200V，并且相对于硅 IGBT、硅 CoolMOS 和碳化硅晶体管具有竞争优势。直到几年前，1200V 似乎在商业上使用氮化镓是不可行的。但在 2020 年初，低成本、高性能的 1200V 氮化镓解决方案出现在人们视线中。Transphorm 展示了1200V氮化镓，它使用在蓝宝石（一种具有出色电绝缘性的材料）上沉积的材料构建的横向 HEMT，以消除漏极和衬底之间的击穿，并阻断 1200V 及更高的电压。横向 1200V 氮化镓 HEMT 保留了横向 HEMT 的所有优点：高迁移率（降低存储电荷）、大面积（提高热导率）和低制造成本。用蓝宝石代替硅可以保持低产品成本和高热性能。在前道制造过程中，蓝宝石上 III-N 缓冲层的厚度可以减少 60% 以上，从而降低外延成本，同时保持良好的晶体质量和高电绝缘性，这不仅在 150 毫米基板上，而且在 200 毫米基板上也是如此。在后道工艺中，蓝宝石可以减薄到 150-200 微米，以匹配硅的热导率。蓝宝石已经是氮化镓 LED 的首选衬底，拥有大量的专业知识和工业大批量生态系统。
在这项工作中，我们展示了采用蓝宝石衬底上高电子迁移率晶体管（HEMT）制造的 1200 V GaN 开关的结果（图 1）。使用封装在 TO-247 封装内的 70 mΩ 蓝宝石衬底 GaN 2 芯片常关型 GaN FET，我们获得了 900:450V 降压转换器在 50 kHz 下大于 99% 的效率。该器件表现出出色的开关品质因数，Ron∙Qg = 0.9 Ω∙nC，Ron∙Qrr = 11 Ω∙nC。这些结果表明，经过优化的蓝宝石衬底 GaN 技术可以成为 1200V 功率器件市场的极具竞争力的平台。目前正在进行重复性和认证任务，以期尽快推出中高功率产品。
图 1. 基于低成本、大直径、绝缘蓝宝石衬底的 1200V 氮化镓 HEMT 级联结构
如今，氮化镓解决方案应用于功率介于 65W 和 3.2kW 之间的低功率和中功率应用，处理的电流仅为几安培到几十安培，芯片面积为几百平方微米。然而，没有任何物理障碍阻止氮化镓解决方案处理数百安培的电流，并应用于 10kW 甚至 100kW 以上的高功率应用。在这项工作中，我们展示了高电流氮化镓原型的新数据，其导通电阻为 10mOhm，额定直流电流超过 170A。该芯片面积为数十平方毫米，并封装在传统的 TO-247-3L 封装中。
硬开关波形和升压转换效率如图 2 所示。该器件的开关速度达到 50V/ns 和 4A/ns，从而实现高功率和高频开关。在 50kHz、硬开关模式下工作的 240V:400V 升压转换器中，效率峰值在 4kW 时达到 99.3%，并平稳地降至 14kW 的功率。可以看出，在 14kW 时，结温仅为 120℃，表明还有更大的裕量可以实现更高的功率。如此出色性能的原因是快速的开关速度，它最大限度地减少了开关损耗；D 模式氮化镓与低压硅 MOSFET 级联配置的低动态 Ron（小于 10%）；以及电阻的低温度系数（150℃ 和 25℃ 之间小于 1.8 倍，与 SiC Trench MOSFET 技术相似），这些共同促成了运行中的低传导损耗。虽然本文展示的是 TO-247-3L 封装，但本文提出的 10mOhm 芯片不仅可以组装在带有 Kelvin 源和更低漏感值的表面贴装封装中，还可以作为裸芯片组装到工业或汽车模块中。最近的研究表明，氮化镓级联器件的并联已成功实现高达 500A 的电流。
图2：单个 10 mOhm 氮化镓芯片的开关波形和效率曲线，展示了创纪录的 99.3% 高效率和 14 kW 输出功率，且仍有提升空间，因为结温仅为 120℃，远低于额定值 175℃。
在电机驱动应用中，氮化镓（GaN）器件不仅要通过严格的 JEDEC 或 AEC-Q0101 认证，还必须能够承受由过载、直通、固件错误、电流浪涌和/或外部故障条件引起的短路事件。2021 年，Transphorm 展示了一项获得专利的 GaN 技术，在 50 毫欧器件上实现了高达 3 微秒的短路耐受时间（SCWT）。今年，我们带来了重大改进，展示了一款 15 毫欧器件，其短路耐受时间延长至 5 微秒，能够进行高功率操作（12 千瓦）。该器件采用 TO-247 封装，额定电压为 650 伏，额定直流电流为 145 安。其峰值效率达到 99.2%，最大输出功率为 12 千瓦。在 400 伏的漏极偏置下，其短路耐受时间为 5 微秒（图 3），并且通过了 1000 小时 175 摄氏度高温反向偏置应力测试。这些数据表明了 GaN 的适应性，打破了其不具备短路能力的“神话”。作为参考，现代栅极驱动器的保护响应时间约为 1 微秒，确保有足够的时间检测故障并安全关闭系统，而不会导致器件损坏
图 3. 获得专利的氮化镓技术，可实现高达 5 微秒的短路耐受时间，从而在电机驱动逆变器中实现故障安全运行。
由于其横向结构，氮化镓器件非常适合单片集成。可以将两个反串联的晶体管单片集成在一起，形成所谓的“双向开关”（图 4）。双向开关具有两个由两个相对的栅极控制的相对的源极，并且可以沿两个方向承载电流，并在两个极性上阻断电压。这种器件架构在氮化镓中以其简单性而独有，对于需要功率器件承受正负交流波瓣的交流前端来说，具有重要意义。
图 4. 单片氮化镓双向开关，具有共漏极和共享漂移区，以实现更小的占位面积、更高的品质因数和更少的零件数量。
氮化镓双向开关支持诸如隔离矩阵双有源桥（图 5 左）、非隔离 T 型中性点钳位 (T-NPC，图 5 右) 等拓扑结构，以及更多拓扑结构。这些拓扑结构允许在单级中进行 AC/DC 或 DC/AC 转换——无需体积庞大且昂贵的 DC-link 电容器——从而实现更轻、更小、更高效、更可靠的电源系统。应用非常广泛，包括电源和电池充电器、太阳能逆变器和电机驱动器。
图 5. 使用氮化镓双向开关 (BDS) 的拓扑结构，包括隔离式矩阵双有源桥和非隔离式 T 型中性点钳位。这些拓扑结构允许单级 AC/DC 转换，具有双向功能和更少的零件数量。由于缺少 DC-link 电容器，因此转换系统更轻、更小，并且由于转换级数更少，效率更高、可靠性更高。
在这项工作中，我们展示了一种氮化镓双向技术，其中单片集成的 D 模式双向氮化镓 HEMT 与两个低压硅 MOSFET 以级联配置连接，以实现常关操作。HEMT 的单片集成允许共享高压漂移区，与两个分立的氮化镓开关相比，芯片尺寸减小了 40%。低压硅 MOSFET 允许高阈值电压 (4V)、高栅极裕量 (+20V)、高可靠性以及高抗噪声和寄生导通能力。双向级联器件采用堆叠芯片技术集成，以最大限度地减少占位面积以及互连电阻和电感（图 6）。该解决方案封装在带隔离焊片的单个 TO-247 封装中。如图 4 所示，D 模式氮化镓的漂移区在晶体管的两侧之间共享，从而显着提高了 Ron x Qg 和 Ron x Qoss 的品质因数。导通电阻为 70 mΩ，该器件具有出色的双向电流传导和电压阻断能力，具有对称的电流-电压和电容-电压特性。Ron∙Qg 比连接在反串联中的最先进的分立式碳化硅 MOSFET 低 80%，从而降低了开关损耗，降低了成本，减少了零件数量，并减小了占位面积。
图 6. 氮化镓双向开关 (BDS) 的实现，使用 D 模式单片氮化镓与低压硅 FET 的级联配置，以提供高阈值电压、高栅极裕量、更高的可靠性以及抗噪声和寄生导通能力。
双向氮化镓器件已在用于单级 AC/DC 前端的矩阵有源桥中进行了测试，实现了两个 AC 极性下的电压阻断和成功的系统演示（图 7）。
图 7. 采用矩阵有源桥的单级 AC/DC 前端中氮化镓双向开关 (BDS) 的开关波形。正弦 3 相 AC 输入，DC 输出。
虽然氮化镓已经在许多低功率和中功率应用中投入生产和现场部署，但令人兴奋的未来在于高功率机会，它将对经济、生态和社会产生更强大的影响。本文介绍的高压和高电流氮化镓、短路能力和单片双向集成将在数据中心、人工智能、交通运输等领域发挥重要作用。
接下来，我们对有望挑战SiC地位的垂直氮化镓氮化镓进行分析。
如大家所见在功率转换领域，宽带隙半导体正在迅速取代硅器件。大能隙（碳化硅为 3.23 eV，氮化镓为 3.4 eV）和相应的大击穿场使这些材料成为开发高效功率半导体器件的理想材料（材料对比见表 I）。
在功率半导体领域，目前采用了几种器件结构，如图 1 所示。超结晶体管有助于在给定芯片尺寸的情况下最大限度地减少传导损耗，因此是硅器件的可靠解决方案；碳化硅晶体管基于不同的概念（JFET、平面 MOSFET 或沟槽 MOSFET），目标电压可达 2 kV 或更高。市面上销售的氮化镓晶体管基于横向 HEMT（高电子迁移率晶体管）设计，由于使用了通过极化掺杂产生的二维电子气体 (2DEG)，可确保高迁移率和低寄生。
硅、碳化硅和氮化镓商用器件之间的比较（图 2）表明，氮化镓 HEMT 结构的栅极电荷、反向恢复电荷和𝑅𝑜𝑛 ∙ 𝑄𝐺乘积都要低得多，从而大大降低了功率转换器中的电阻损耗和开关损耗。最近，氮化镓领域的创新来自垂直器件结构的开发，以进一步提高功率密度和电流密度 。
