秦海鴻，董耀文，張　英，徐華娟，付大豐，嚴(yán)仰光

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

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GaN功率器件及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

秦海鴻，董耀文，張英，徐華娟，付大豐，嚴(yán)仰光

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)有硅基電力電子器件的性能已經(jīng)逼近其材料極限，很難再大幅提升硅基電力電子裝置的性能。以氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件比硅器件具有更優(yōu)的器件性能，成為電力電子器件的研究熱點(diǎn)。介紹了氮化鎵電力電子器件的商業(yè)化產(chǎn)品水平和實(shí)驗(yàn)室研究現(xiàn)狀，闡述了其在典型場(chǎng)合中的應(yīng)用，并剖析了其發(fā)展中存在的挑戰(zhàn)。

寬禁帶半導(dǎo)體器件； 氮化鎵； 電力電子技術(shù)； 現(xiàn)狀； 發(fā)展

電力電子變換器廣泛應(yīng)用于航空、電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)設(shè)備和家用電器等眾多領(lǐng)域，其普遍發(fā)展趨勢(shì)是如何進(jìn)行高效率的功率變換和如何實(shí)現(xiàn)更高的功率密度或功能密度[1]。新一代電力電子變換器面臨著很大的挑戰(zhàn)，要求其具有更高效率、更高功率密度和在高溫環(huán)境下可靠工作[2-3]。電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，器件的性能對(duì)整個(gè)電力電子裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能有著重要的影響。目前，電力電子變換器中普遍采用Si基功率器件，然而硅電力電子器件經(jīng)過(guò)近60年的長(zhǎng)足發(fā)展，性能已經(jīng)趨近其理論極限，通過(guò)器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以大幅度提升其總體性能，不能滿足下一代電力電子變換器高溫、高壓、高頻、高效和高功率密度的要求，逐漸成為制約未來(lái)電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一[2]?；谛滦蛯捊麕О雽?dǎo)體材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能，成為功率器件的研究熱點(diǎn)。目前，寬禁帶半導(dǎo)體器件中碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)電力電子器件均已有商業(yè)化產(chǎn)品，對(duì)寬禁帶器件進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用問(wèn)題的研究有助于其在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場(chǎng)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此，基于GaN材料制造的電力電子器件具有通態(tài)電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高、耐高溫性能好等特點(diǎn)。與SiC材料不同，GaN材料除了可以用于制作器件外，還可以利用GaN所特有的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作高性能器件。GaN可以生長(zhǎng)在Si、SiC及藍(lán)寶石上，在價(jià)格低、工藝成熟、直徑大的Si襯底上生長(zhǎng)的GaN器件具有低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)，因此，受到廣大研究人員和電力電子廠商的親睞。

本文對(duì)GaN二極管和GaN HEMT的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對(duì)其在典型電力電子變換器中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，并對(duì)其在進(jìn)一步發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了論述。

1　GaN器件研究現(xiàn)狀

1.1GaN二極管

GaN功率二極管包括兩種類(lèi)型：GaN肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)和PN二極管。GaN肖特基二極管主要有橫向、垂直和臺(tái)面3種結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。橫向結(jié)構(gòu)利用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在不摻雜的情況下就可以產(chǎn)生電流，但橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)增加了器件的面積以及成本，且器件的正向電流密度普遍偏小。垂直結(jié)構(gòu)是一般電力電子器件主要采用的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生較大的電流，有很多研究機(jī)構(gòu)利用從外延片上剝離下來(lái)的厚的GaN獨(dú)立薄片做成縱向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)的SBD，但是該種外延片缺陷密度高，制造出來(lái)的器件雖然電流較大，但是反向漏電流也非常大，導(dǎo)致其擊穿電壓與GaN材料應(yīng)達(dá)到的水平相距甚遠(yuǎn)。因此，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)GaN SBD的研究主要還是停留在仿真以及改善材料特性階段。臺(tái)面結(jié)構(gòu)，也稱為準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)，一般是在藍(lán)寶石或SiC襯底上外延生長(zhǎng)不同摻雜的GaN層，低摻雜的N-層可以提高器件的擊穿電壓，而高摻雜的N+層可形成良好的歐姆接觸，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了橫向結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有自身的缺點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)是可以與傳統(tǒng)工藝兼容，將尺寸做得比較大[5]。

圖1　GaN肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure of GaN Schottky diode

圖2為PN二極管結(jié)構(gòu)示意圖，其襯底為2英寸厚的N++摻雜GaN體，同質(zhì)外延層通過(guò)金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)的方法制造[6]。根據(jù)擊穿電壓的不同，N型緩沖層的摻雜濃度范圍是(1～3)×1016/cm3，厚度為5～20μm。目前為止，耐壓為3.7kV的GaN PN二極管已經(jīng)在GaN體晶片上制作完成[7]；該種器件具有很高的電流密度、較高的雪崩擊穿能量承受能力和非常小的漏電流。

圖2　GaN PN二極管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure of GaN PN diode

目前，EPC、恩智浦、Avogy、Sanken Electric等半導(dǎo)體公司都在研制生產(chǎn)電壓等級(jí)為600V的GaN SBD產(chǎn)品，但商業(yè)化的GaN SBD產(chǎn)品種類(lèi)仍然較少。在GaN二極管商業(yè)化方面，Avogy公司走在前列，該公司不僅提供了600V的GaN SBD商用產(chǎn)品，而且1.7kV的PN型二極管也已上市[8]。表1給出了Avogy公司商業(yè)化的GaN二極管產(chǎn)品。

表1　Avogy公司的GaN二極管產(chǎn)品

注：URRM為反向重復(fù)峰值電壓；If為通態(tài)平均電流；IR為反向恢復(fù)電流；Qc為總電容電荷。

目前，商業(yè)化的GaN SBD的最高耐壓只有600V，0.6～1.2kV耐壓范圍內(nèi)的GaN SBD仍在小批量試驗(yàn)階段，估計(jì)不久將會(huì)有商用產(chǎn)品。在實(shí)驗(yàn)室研究中，藍(lán)寶石基底的GaN整流器的擊穿電壓已高達(dá)9.7kV，但存在正向壓降較高的問(wèn)題。另一方面，GaN JBS二極管也在研究中，其應(yīng)用于0.6～3.3kV的電壓領(lǐng)域，可大大提高GaN功率整流器的性能，但是GaN JBS的接觸電阻問(wèn)題仍需改善。

1.2GaN高電子遷移率晶體管

在GaN所形成的異質(zhì)結(jié)中，極化電場(chǎng)顯著地調(diào)制了能帶和電荷的分布。即使整個(gè)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)沒(méi)有摻雜，也能在GaN界面形成密度高達(dá)(1～2)×1013cm-2，且具有高遷移率的二維電子氣(Two-dimensional Electron Gas, 2DEG)。2DEG溝道比體電子溝道更有利于獲得強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力，因此，GaN晶體管以GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管為主，該器件結(jié)構(gòu)又稱為高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)。

常規(guī)的GaN HEMT由于材料極化特性，即使不加任何柵壓，在溝道中也存在高濃度的2DEG，使得器件處于常通狀態(tài)，即為耗盡型器件，如圖3所示[9]。

圖3　常通型GaN HEMT的截面圖Fig.3　Structure of normally-on GaN HEMT

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)斷功能，必須施加負(fù)的柵壓。而在最為常用的電壓型功率變換器中，從安全和節(jié)能等角度都要求功率開(kāi)關(guān)為常斷狀態(tài)，因此，現(xiàn)在大量研究工作致力于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件。目前，增強(qiáng)型的GaN HEMT已有柵下注入氟離子、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)溝道HEMT以及P型GaN柵等實(shí)現(xiàn)方法，均已獲得擊穿電壓高于600V的器件。由于常通型器件在電壓型功率變換器中并不常用，故生產(chǎn)銷(xiāo)售常通型GaN器件的公司很少，其中，具有代表性的是microGaN公司，其常通型GaN器件MGG1T0617D的參數(shù)如表2所示[10]。

擊穿電壓在30～600V 內(nèi)的常斷型GaN HEMT器件已經(jīng)商業(yè)化。如EPC公司供應(yīng)30V/9.5A～300V/6.3A 的常斷型GaN HEMT[11]；GaN Systems公司提供耐壓650V的增強(qiáng)型GaNHEMT[12]。常斷型GaN HEMT的典型產(chǎn)品型號(hào)及參數(shù)如表3所示。

表2　常通型GaN HEMT器件MGG1T0617DD的參數(shù)

注：UDS為漏源電壓；RDS(ON)為導(dǎo)通電阻；IDmax為漏極平均電流最大值；UGS(DC)為柵源電壓；UGS(th)為導(dǎo)通閾值電壓；Ciss為等效輸入電容；Coss為等效輸出電容

表3　常斷型GaN HEMT器件型號(hào)及其參數(shù)

目前，EPC公司的常斷型GaN HEMT器件耐壓最高只有300V，而能生產(chǎn)650V耐壓的常斷型GaN HEMT器件的企業(yè)也僅有GaN Systems公司，且規(guī)格、種類(lèi)較少。因此，一種由高壓常通型GaN HEMT和低壓Si MOSFET級(jí)聯(lián)構(gòu)成的Cascode結(jié)構(gòu)常斷型GaN HEMT器件受到各大GaN器件生產(chǎn)商的重視，該器件的耐壓目前通常為 600V，其典型產(chǎn)品型號(hào)及參數(shù)如表4所示[13-14]。

表4　常斷型Cascode GaN HEMT器件型號(hào)及其參數(shù)

2　GaN器件應(yīng)用現(xiàn)狀

由于GaN器件比現(xiàn)有Si器件具有更優(yōu)的器件性能，引起了電力電子變換器研究工作者的興趣。目前研究人員已針對(duì)GaN器件在AC/DC、DC/DC變換器、DC/AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光伏發(fā)電等場(chǎng)合中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2.1GaN器件在AC/DC變換器中的應(yīng)用

2.1.1Boost型PFC電路Boost變換器是 65W 以上功率等級(jí)具有功率因數(shù)校正功能的AC-DC變換器最常用的電路拓?fù)?，由于采用Si快恢復(fù)二極管和CCM工作模式，反向恢復(fù)問(wèn)題嚴(yán)重。圖4給出了開(kāi)關(guān)頻率為100kHz的Boost電路中整流二極管的電壓和電流波形[15]，采用超快恢復(fù)Si二極管和Avogy的GaN PN二極管進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，GaN PN二極管無(wú)反向恢復(fù)問(wèn)題，大大改善了電路性能。

圖4　100kHz的Boost變換器中整流二極管的工作狀態(tài)Fig.4　Working state of rectifier diodes in10kHz boost converter

2.1.2LED驅(qū)動(dòng)器LED是目前最為重要的照明用具，其可靠工作依賴于高效工作的LED驅(qū)動(dòng)器。在開(kāi)關(guān)頻率為300kHz，額定功率為 20W 的離線式LED驅(qū)動(dòng)器中(見(jiàn)圖5中插圖)，對(duì)分別采用相同電壓等級(jí)(600V)的GaN SBD、SiC MPS二極管和Si基超快恢復(fù)二極管的LED驅(qū)動(dòng)器整機(jī)效率進(jìn)行了對(duì)比研究[6]。由圖5可知，與Si基超快恢復(fù)二極管相比，GaN SBD應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，使整機(jī)的效率大大提高；與SiC MPS二極管相比，采用GaN SBD構(gòu)成的整機(jī)在效率上有微小的提升。

圖5　LED驅(qū)動(dòng)器整機(jī)的效率曲線Fig.5　Efficiency curve of LED driver

2.2GaN器件在DC/DC變換器中的應(yīng)用

2.2.1正激變換器正激變換器是最為常用的單端隔離式DC/DC變換器之一，在正激變換器中對(duì)GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor, FET)和Si MOSFET進(jìn)行了對(duì)比研究。正激變換器的主要技術(shù)規(guī)格如下：輸入電壓Uin=480V(DC)，輸出電壓Uo=5V，額定輸出功率Po=26W。正激變換器采用第3個(gè)繞組去磁方案，副邊采用同步整流，主電路如圖6所示。用于對(duì)比的器件如表5所示[11]。

圖6　同步整流正激變換器Fig.6　Synchronous rectifier forward converter

器件類(lèi)別型號(hào)UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM開(kāi)關(guān)管/(mΩ·nC)原邊開(kāi)SiMOSFETFDS25821504.166.0194.41254290 關(guān)管GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副邊同步SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838 整流管GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

注：QG為柵極充電電荷；QGD為柵漏極充電電荷；FOM為器件品質(zhì)因數(shù)

圖7給出了開(kāi)關(guān)頻率分別為300、500kHz時(shí)，應(yīng)用GaN FET和Si MOSFET的正激變換器效率對(duì)比。

圖7　GaN FET基和Si MOSFET基正激變換器效率對(duì)比Fig.7　Efficiency comparison of GaN HEMT vsSi MOSFET for forward converter

由圖7可知：

(1)開(kāi)關(guān)頻率為300kHz，輕載時(shí)，采用GaN FET僅能使正激變換器的效率有微小提升；滿載時(shí)，采用GaN FET使正激變換器的效率有明顯提升，盡管電壓定額高些的GaN FET的通態(tài)電阻接近于Si MOSFET的2倍。

(2)頻率升高時(shí)，采用GaN FET可以明顯提高正激變換器的效率。開(kāi)關(guān)頻率為500kHz時(shí)，GaN基正激變換器與Si基正激變換器相比，輕載時(shí)的效率提升約5%；滿載時(shí)的效率提升約2%。

(3)頻率升高到500kHz時(shí)，采用GaN FET的正激變換器效率與 300kHz 相比僅有微小降低，這主要是為保持500、300kHz 下的輸出電流紋波相等，故它們的輸出濾波電感值不同。與500kHz相比，開(kāi)關(guān)頻率為 300kHz 時(shí)，輸出濾波電感的直流電阻降低了約5mΩ，體積減小了1/2。若電感值不變，兩個(gè)頻率下的效率基本保持不變。

2.2.2反激變換器反激變換器也是最為常用的單端隔離式DC/DC變換器之一，且通常作為多路輸出機(jī)內(nèi)電源拓?fù)?。在反激變換器中對(duì)GaN FET和Si MOSFET進(jìn)行了對(duì)比研究。反激變換器的主要規(guī)格如下：Uin=48V，Uo=3.3V，Po=13W[12]。反激變換器如圖8所示。用于對(duì)比的器件如表6所示。

圖8　反激變換器Fig.8　Flyback converter

器件類(lèi)別型號(hào)UDS/VID/ARDS(ON)/mΩQG/nCQGD/nCFOM整流管/(mΩ·nC)FOM開(kāi)關(guān)管/(mΩ·nC)原邊功率管SiMOSFETFDS25821504.166.019.04.41254290GaNFETEPC10122003.0100.01.90.919090副邊整流管SiMOSFETSIR4644050.04.228.29.011838GaNFETEPC10154033.04.011.52.2469

由表6可見(jiàn)，用于對(duì)比的Si MOSFET的通態(tài)電阻比GaN FET小50%左右，而GaN FET的柵極電荷比Si MOSFET小。圖9給出開(kāi)關(guān)頻率為300、400kHz，分別應(yīng)用GaN FET和Si MOSFET時(shí)的反激變換器的效率對(duì)比。

圖9　GaN FET基和Si MOSFET基反激變換器的效率對(duì)比Fig.9　Efficiency comparison of MOSFET vsGaN FET for flyvback converter

由圖可知，在該規(guī)格的反激變換器中：

(1)當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為300kHz時(shí)，采用兩種不同功率器件的效率相近；

(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率提高到500kHz時(shí)，GaN基反激變換器的效率比 300kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)降低0.5%左右，而Si基反激變換器的效率下降幅度高達(dá)2%。

2.2.3全橋變換器采用全橋變換器的“磚塊型”電源模塊廣泛應(yīng)用于通信、服務(wù)器系統(tǒng)中。以1/8磚電源模塊為例，采用現(xiàn)在最常用的散熱方式，滿載時(shí)最大的功耗處理能力是12～14W。若滿載效率為90%，則最大輸出功率為120～140W。如果滿載效率提高2%，則滿載輸出功率可提高160W，增長(zhǎng)率為28%。在1/8磚全橋變換器中對(duì)Si MOSFET和GaN FET進(jìn)行了對(duì)比研究。1/8磚全橋電路變換器主要技術(shù)規(guī)格如下：Uin=48V，Uo=12V。全橋變換器副邊采用全橋同步整流電路。圖10給出了采用Si MOSFET和GaN FET的全橋變換器效率和損耗對(duì)比[16]。

圖10　采用Si MOSFET和GaN FET的全橋變換器的效率和功率損耗對(duì)比Fig.10　Efficiency and power loss comparison of Si MOS-FET vs GaN FET for full bridge converter

盡管采用GaN FET時(shí)的全橋變換器的開(kāi)關(guān)頻率(375kHz)比采用Si MOSFET時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率(250kHz)高50%，但前者效率仍比后者高。在功率損耗相同的情況下，GaN基全橋變換器的輸出功率為200W，比Si基全橋變換器輸出功率(144W)高出近40%。

2.3GaN器件在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

Si IGBT是目前電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器常用的功率器件，但其存在電流拖尾問(wèn)題，開(kāi)關(guān)頻率受到限制[17]。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別采用Si IGBT和GaN HEMT作為功率器件進(jìn)行了對(duì)比研究。圖11所示為三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖。三相橋式逆變器分別采用GaN HEMT 6合1模塊(圖12(a))和Si IGBT 6合1模塊(圖12(b))。

與采用Si IGBT的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，采用GaN HEMT的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了濾波器，如圖12中虛線框所示。由于GaN HEMT的開(kāi)關(guān)頻率可以取得較高，從而可采用較小尺寸的正弦濾波器，進(jìn)一步減小進(jìn)入電動(dòng)機(jī)繞組中的諧波電流分量，減小電流損耗。

圖12　采用Si IGBT和GaN HEMT模塊的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.12　Comparison of Si IGBT and GaN HEMT module in motor drive system

圖13為采用不同器件的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率對(duì)比。由圖可見(jiàn)，采用GaN HEMT的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率均比采用Si IGBT的要高；這是由于GaN基電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的正弦濾波器把PWM開(kāi)關(guān)波形中高次諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響轉(zhuǎn)移到了濾波器，以較小尺寸的濾波元件和較小的濾波器損耗為代價(jià)，大大降低了高次諧波給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的額外損耗。在電動(dòng)機(jī)輸出功率相同的情況下，采用GaN HEMT的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，比采用Si IGBT的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率高約3%。

圖13　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比Fig.13　Efficiency comparison of Si IGBT vs GaN FETfor motor drive and motor drive system

2.4GaN器件在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的前級(jí)會(huì)采用升壓式直流變換器，以提升后級(jí)逆變器輸入電壓的等級(jí)，同時(shí)使逆變器的輸入電壓穩(wěn)定，而直流變換器的拓?fù)湟话氵x擇Boost變換器[18]。在Boost變換器中對(duì)GaN FET和Si MOSFET進(jìn)行了對(duì)比研究[19]。Boost變換器的主要規(guī)格如下：Uin=15V，Uo=48V，其電路如圖14所示。GaN基變換器和Si變換器參數(shù)對(duì)比如表7所示。

圖14　Boost變換器電路Fig.14　Boost converter

參數(shù)fsw/kHzL/μHCin/μFCout/μFPloss/WGaN基變換器3008.32.85.73.44Si變換器6004.21.53.03.29

注：fsw為開(kāi)關(guān)頻率；Cin為輸入端電容；Cout為輸出濾波電容；Ploss為功率損耗

圖15為采用不同功率器件的變換器的效率及功率損耗對(duì)比。由圖可知，Si基和GaN基變換器的功率損耗和最大輸出功率能力相近，但GaN變換器的體積更小，功率密度更高。

圖15　GaN基與Si基變換器的效率及功率損耗對(duì)比Fig.15　Efficiency and power loss comparison of SiMOSFET vs GaN FET for boost converter

3　GaN功率器件發(fā)展道路上的挑戰(zhàn)

盡管目前GaN功率器件已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步且逐步進(jìn)入市場(chǎng)，但其依舊存在許多不可忽視的問(wèn)題，要真正取代Si基器件成為市場(chǎng)主流，仍存在很大的挑戰(zhàn)。

(1)材料生長(zhǎng)方面。高品質(zhì)的外延材料是GaN基功率器件的技術(shù)核心。與Si相比，SiC和藍(lán)寶石晶格失配更小，且熱導(dǎo)率更低，對(duì)于大功率器件而言，這些都是不可或缺的優(yōu)點(diǎn)[20]，但其成本過(guò)高，很難商業(yè)化。雖然Si與GaN的晶格失配較大，但其成本低廉，故硅襯底依舊是目前GaN基功率器件的主流技術(shù)；并且，由于其異質(zhì)結(jié)構(gòu)，GaN功率器件以橫向結(jié)構(gòu)偏多，盡管這使其在高頻領(lǐng)域得到了青睞，但也限制了它的大功率特性，目前的共識(shí)是GaN更適合應(yīng)用于中低壓高速開(kāi)關(guān)領(lǐng)域(<1.2kV)，如功率因數(shù)校正器(PFC)、光伏逆變器等。

(2)器件技術(shù)方面。主要存在3個(gè)問(wèn)題：① 提高耐壓。這是制作功率器件首先要考慮的問(wèn)題，一方面這與GaN本身的材料特性有關(guān)，另一方面也與器件結(jié)構(gòu)、襯底質(zhì)量等因素密切相關(guān)。目前，提高器件擊穿電壓的方案主要集中在改進(jìn)襯底結(jié)構(gòu)、改進(jìn)緩沖層結(jié)構(gòu)和改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)3個(gè)方向[21]。② 制作常斷型(增強(qiáng)型)器件。與耗盡型器件不同的是，常斷型器件在不加?xùn)艍簳r(shí)保持常斷狀態(tài)，這對(duì)于以電壓型變換器為主的電力電子裝置而言意味著可以確保系統(tǒng)安全可靠工作，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。目前業(yè)界普遍采用槽柵[22]、p-GaN柵[23]或P-AlGaN柵和氟離子注入等方法直接實(shí)現(xiàn)常斷型[21]。③ 電流崩塌效應(yīng)抑制。電流崩塌，即在漏極電壓較大且開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，漏源間導(dǎo)通電阻大大增加的現(xiàn)象[24]。目前抑制電流崩塌的方法主要有[25-30]表面鈍化處理、采用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)P型帽層和勢(shì)壘層摻雜。另外，采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的GaN器件也可以抑制電流崩塌現(xiàn)象，但這不屬于GaN自身結(jié)構(gòu)的改善，且其應(yīng)用受到低壓Si MOSFET的限制。

4　結(jié)　語(yǔ)

電力電子器件的發(fā)展推動(dòng)著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，促使電力電子裝置不斷提高性能。寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場(chǎng)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，使得GaN基電力電子器件具有通態(tài)電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高、耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子、微波通信、光伏逆變、照明等應(yīng)用領(lǐng)域具有Si材料無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)，有著重大的戰(zhàn)略意義，相信在不久的將來(lái)GaN作為第3代半導(dǎo)體材料中的優(yōu)秀代表會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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Development and Application of Gallium Nitride Power Devices

QIN Haihong，DONG Yaowen，ZHANG Ying，XU Huajuan， FU Dafeng，YAN Yangguang

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, College of Automation Engineering, Nanjing 211106, China)

Power electronic devices are an important basis for power electronic technology.After a long period of development, silicon based power devices exhibit unavoidable physical limitations in improving performance of silicon based power converters.On the other hand, gallium nitride based devices have better performance due to their outstanding properties, and become a new trend in developing power electronic devices.This paper presents reviews the recent progresses in the commercial and experimental developments of gallium nitride based power semiconductor devices, and their applications.Moreover, a forecast of applications of wide-bandgap power semiconductor in the future power electronic device market is given.

wide-bandgap semiconductor device; gallium nitride(GaN); power electronic technology; present situation; development

2016-06-15

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目資助(20123218120017)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(NS2015039；NJ20160047)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目資助

秦海鴻(1977-)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閷捊麕Чβ势骷?yīng)用技術(shù)、功率變換技術(shù)、電機(jī)控制，

E-mail：qinhaihong@nuaa.edu.cn

2095-0020(2016)04-0187-10

TN 386

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