GaN HEMT氮化镓功率器件

硅基半导体经过多年发展，其性能逐渐接近极限，在进一步降本增效的背景下，第三代宽禁带半导体氮化镓功率器件GaN HEMT被寄予厚望。

功率半导体器件的发展历程

晶闸管的出现宣布半导体器件正式进入电力领域，GTO和GTR的出现使功率开关成为全控制型器件。

IGCT的出现解决了GTO关断过程电流挤压现象。

IGBT出现之后，GTR沉寂了。

双极型器件的劣势：庞大的控制电路和保护电路以及较低的工作频率。解决问题的途径：单极型功率器件MOSFET。

70年代，功率MOSFET的出现解决了双极型器件工作频率低的问题，但功率仍受硅材料极限限制。

于是通过双极与单极联姻，80年代产生了IGBT，将双极型器件的电导调制效应巧妙地引入到MOSFET中，极大地提高了MOSFET的功率。

但IGBT终究是双极型器件，工作频率较MOSFET低，关断过程存在拖尾效应，于是SJMOSFET应运而生。

90年代，SJMOSFET的出现扩大了MOSFET功率定额，但人们对开关频率提高和对能效的追求仍在继续……

于是宽禁带半导体器件适时登场，所谓的时势造英雄在这个时候得以验证。

第三代宽禁带半导体氮化镓功率器件GaN HEMT凭什么成为时代的宠儿？

第三代半导体具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的效率、更高的电子饱和速率，而GaN凭借这些众多优势赢得了市场的青睐。

硅基材料、碳化硅材料、氮化镓材料的比较

时势造英雄，英雄亦适时。时代的需求造就了“英雄器件”，宽禁带功率半导体器件不负众望，凭借优秀的结构优势和材料特性取得了辉煌的成就。

结构方面：

VD-MOSFET

耗尽型:D-GaN HEMT常态导通

P-GaN增强型：常态关断

类型

特点

VD-MOSFET

l 导通电阻大，导通损耗大，转换效率低

l 漏电流大，可靠性一般

l 结电容大，开关频率特性差

l 驱动电流大，驱动损耗大

l 属于传统型功率器件

耗尽型:D-GaN HEMT(D-mode)

l D-GaN HEMT: 用于级联结构

l 栅极有绝缘介质，漏电流小

l 级联后Vgs耐压范围宽-20~+20V (Cascode)

l 适合高压器件，硅MOS管和D-GaN级联

l 氮化镓材料本征为D-mode，外延简单，成熟，稳定，生长速度快

增强型:P-GaN

(E-mode)

l Vgsth低，需要负压防误导通

l 栅极没有绝缘，漏电流大

l Vgs耐压范围窄，-7~+7V，余量小

l P-GaN的掺杂/激活和刻蚀增加制造难度

l 外延结构增加pGaN外延层，P型氮化镓难于控制，质量差，带来不确定因素，增加生产难度和成本

材料方面：

GaN市场：

GaN以其高效率、低损耗与高频率的特性，在消费电子领域展现出广阔的应用前景，特别是在充电器和电源适配器方面。其充电器体积更小、质量更轻，携带便利，且充电功率大、速度快，能满足多台设备同时充电的需求，价格也相对亲民。因此，GaN充电器市场逐渐受到手机厂商的青睐，小米、华为、努比亚等品牌纷纷入局，市场呈现出百花齐放的态势，为新能源汽车、工业电源等电能使用领域的电能高效转换提供了新的解决方案。这将进一步推动能源向绿色低碳方向发展，助力“碳达峰，碳中和”目标的实现。

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