氮化镓器件新技术提高电功率转换效率

  由于电子系统在设计上的进步,显著地提高了电功率转换系统的性能和效率。基于硅(Si)电路的IGBT和MOSFET始终是功率转换系统中的主要电子部件,在过去几年中,碳化硅(SiC)二极管及其场效应晶体管(FET)已经投入了生产,进行了大量的系统改进工作,最近,部件供应商已经能够提供氮化(GaN)品体管及其开关器件与采用其它技术的器件产品相比,GaN器件具有多项优点包括它能极大地提高效率、功率密度和开关速度。
 
  GaN基器件要能快速和成功地进入功率转换领域的主要障碍是GaN基器件的性价比低。与此同时,在射频以及增益性能等方面具有优势已经使GaN基器件在某些领域迅速得到了应用,如在雷达领域,在这种高性能器件的首个现场应用成功报告发布后的两年中,就完成了GaN器件的全部替代过程。
 
  当代GaN产品的低性价比是由于氮化镓技术的供应链与硅技术相比还相对不够成熟,但这一障碍正处于迅速的克服之中。
 
  以色列VisIC Technologies Ltd对GaN技术的启动是从制作首个“没有遗憾( No-Excuses)”的GaN器件产品ALL- Switch开始的。
 
  他们相信先进的GaN基半导体器件来替代当今的硅基器件,可以加快电功率转换系统的成本降低和效率改进的进程。VisIC公司在功率转换上尚无法完全克服在成本增加与效率损失上的矛盾,但他们可以减小、甚至摆脱在效率-成本比上的困境,这是通过采用GaN基解决方案以及结合了更为理想的开关性能(例如,增加阶跃函数的开关频率),使得它的实际成本要低于现有的硅基决方案。
 
  工程师用一个异质外延氮化物层,并用它来设计制作一个系统设计师所需的未经任何掺杂的、常闭型(增强型或E模式)功率晶体管(已经公认的一点是掺杂的Ⅲ族氮化物外延层有可能会降低GaN晶体管的可靠性、导致其性能参数的漂移或迟滞,掺杂还会对单片集成的增强和耗尽型氮化镓品体管的性能产生影响)。该晶体管结构如图1所示。
VislC公司的增强型晶体管结构 
图1. VislC公司的增强型晶体管结构
 
  在这种晶体管中,外延层成为二维电子气体(2DEG)的双重沟道。用外延层的带隙工程来产生一个具有压应力偏置的层,将它与凹槽栅晶体管结构相结合来制作一个常闭型晶体管。晶体管阈值电压是由外延生长条件而不是凹槽栅的深度所决定,因此VisIC这种晶体管本身就具有均匀的阈值,而这是半导体器件投入大规模量产制造和系统设计的必要条件。
  图2和图3是这种无偏压结构的能带图,其切割剖面位于进路区(A-A’)和凹槽栅区(G-G’)。
切割剖面图 
图2. 切割剖面图
能带图 
图3. 能带图
 
  由于在GaN层所形成的二维量子阱中会发生电子的输运,由此产生二维电子气(2DEG)具有高的移动速度和极低的电容,具有这种结构的器件也称之为“高电子迁移率晶体管(HEMT)”。
  该种新器件技术的主要优点如下: 
  ·电压驱动型650V MIS HEMT晶体管具有极低的栅电流和漏-源间的漏电流。
  ·器件的阈值电压为2V-3V,在高电磁干扰环境下能避免产生寄生器件效应。
  ·与具有等效导通电阻(RDS(on))的硅MOSFET相比,它可以显著降低每个开关周期的损耗(等效RDS(on)是指器件在25℃时的导通电阻)。
  ·芯片的尺寸只有处于领先的硅MOSFET的一半,可以预测它的定价曲线将会等于或低于硅MOSFET。
  由于器件的设计和制造上取得了突破,设计师将能通过采用它的GaN MIS HEMT设计而无需担心它的成本问题,随之就可利用氮化镓的先进性能来降低电功率转换系统的成本和/或提高系统的效率。
 
  新的GaN电路设计方法摆脱了传统氮化镓工艺在性价比上的困境。这种氮化镓技术将会对GaN器件量产的提升产生积极的影响,使它可作为硅MOSFET和IGBT器件的替代产品,来加速提高电力转换系统的效率和降低它的成本。

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