氮化镓功率器件及其应用（上）

首先让我们来看一下氮化镓功率器件的结构。我们可以看到，氮化镓功率器件和硅LDMOS看起来很像。从结构上讲，氮化镓器件和硅LDMOS都是横向器件。也就是说，他们的源极，门级和漏极都在芯片的上表面。同时为了让电场分布更加均匀，他们都使用了场板的设计。当然，不同之处在于氮化镓是化合物半导体外延，通过异质结形成高电子迁移率的二维电子气沟道。而硅LDMOS是硅外延层上进行掺杂形成P-N结。同时我们知道，氮化镓功率器件分为增强型(E-Mode)和耗尽型(D-Mode)两种。增强型是常关的器件，而耗尽型则是常开的器件。在电力电子应用中，常开的器件会带来使用上的不便和安全方面的问题。因此实际应用中的氮化镓功率器件都需要是常关型的器件。

再让我们来看一下650V氮化镓功率器件的技术路线。为什么要是650V呢？因为对于很多电源领域的应用，凡是需要接入220V市电的，母线电容上的电压在输入交流电压整流以后得到大约400V直流电压，再加上电压尖峰和部分拓扑结构应用中副边反射回来的电压，650V就成了一个标准的电压要求。当然氮化镓也有很多中低电压的应用，在这里就不详述了。前面我们已经讲过，氮化镓器件分为增强型和耗尽型两大类。目前主流的增强型器件使用的是一种叫做P-GaN的工艺结构，这种工艺结构带来两类技术路线。一类是以松下和英飞凌为代表的电流控制型。所谓电流控制，指的是门级驱动使用电流，而不是电压来控制。另外一类则是和硅MOS管以及碳化硅MOS管一样，使用门级电压驱动。这里我们主要讲电压驱动型。在电压驱动型里面，又分为分立器件和驱动集成芯片。分立驱动就是只是功率器件，驱动需要外接。驱动集成芯片是芯片里面包含氮化镓功率器件和驱动IC。驱动集成分为共封装和单片集成。其中共封装指的是使用成熟的硅驱动IC和氮化镓功率器件合封在一个封装里面，单片驱动集成是指使用氮化镓工艺同时将驱动IC和功率器件集成在一块芯片里面。耗尽型器件分为级联常关器件和分立常开器件。其中级联常关器件以Transphorm为代表。Power Integration采用的是在蓝宝石衬底上面长氮化镓，同时集成原边驱动，控制以及副边的驱动。使用蓝宝石衬底做氮化镓功率器件的好处是成本较低，但因为蓝宝石本身的导热性很差，大功率应用会有困难。另外一个使用常开型器件集成驱动的典型代表是TI, 与传统级联方式不同，德州仪器使用的是一种叫做直接负压驱动耗尽型氮化镓的方式。门级驱动直接接到氮化镓而不是级联方式中的低压MOS管。

这两张图，相信很多朋友都看过。它们是法国悠乐咨询公司2018年氮化镓报告里面的。我想把这两张图再拿出来讲一下，因为很多时候，大家可能一开始并没有看明白悠乐想说明的问题。比如右边这张饼图，我用中文做了一些注释。它讲的是氮化镓功率器件的商业模式。里面包括有IDM，外延加上芯片生产的代工厂，还有例如像Navitas, GaN Systems，EPC和我们GaNPower这样的纯设计公司。当然这张图对氮化镓外延片提供商也有指导意义，因为这里面就有不少需要外购外延片的纯芯片代工厂以及Alpha Omega这样的设计+芯片生产的公司。左边这张图和我们前面一页讲的内容相似，有关氮化镓器件的技术路线。同样我用中文做了一些注释，方便大家理解。

这里有一个简化的耗尽型氮化镓生产工艺流程介绍。左边是GaNPower在4年前使用蓝宝石衬底做的耗尽型氮化镓器件的两寸晶圆，当然现在GaNPower已经不再做耗尽型器件，而专注于硅衬底的增强型器件。我们看到第一步是做mesa隔离蚀刻；第二步是定义源极和漏极；第三步是沉积源漏极金属；第四步是剥离和退火；第五步是定义门级；第六步是门级金属沉积；第七步是门级金属剥离；第八步是SiN氮化物沉积钝化；第九步是源极漏极的接触开口；第十步是定义场板；第十一步是场板剥离(Lift-off);第十二步是第二层氮化物沉积。

下面我们简单介绍一下氮化镓功率器件的封装步骤。和硅MOS管相似，氮化镓器件有多种封装形式，例如DFN,TO220等。同样，氮化镓功率器件的封装步骤，也和硅类似。生产好的晶圆，首先经过CP测试，再进行背部减薄。需要注意的是，硅上氮化镓晶圆和单纯的硅晶圆不同，氮化镓晶圆很硬，在划片之前需要先用激光凹槽蚀刻，再用钻石刀划片。最后打线塑封完成封装步骤

氮化镓功率器件的一些基本特性包括：第一，没有雪崩击穿，一旦击穿，就是永久性的。这类似于电容里面的介质击穿。也正是这样的原因，一般对于650V的器件而言，如果是硅MOS管，一般实际击穿电压大约在750V左右，而氮化镓器件需要提供更高的电压裕量，650V器件至少需要900V以上的击穿电压。第二，没有p型氮化镓管，如果要用氮化镓做模拟和数字IC，其设计和硅IC差异较大。第三，最大门级电压被限制在了7V，且与现有的硅驱动IC不兼容；第四，虽然GaN材料特性远好过硅，且有高电子迁移率的二维电子气，但因受制于横向器件固有的一些问题，其优点并没有得到充分发挥。

这里介绍的是氮化镓功率器件的参数及表征，包括静态参数（例如通态电阻，阈值电压等），动态参数，例如寄生电容，门级电荷等，还有就是散热和安全工作区。首先我们来看一下动态电阻。动态电阻是氮化镓特有的现象，也被称为电流崩塌效应。在经历过高压应力后，通态电阻显现出高于正常10%到40%的阻值。这种现象会在一定程度上增加系统损耗。2，与硅还有碳化硅器件不同的是，氮化镓器件的阈值电压温度系数相对平稳。我们知道硅和碳化硅都有负的阈值电压，意味着在几个器件并联情况下，温度越高的器件阈值电压越小，那它分到的电流越大，电流越大，器件越热，这样形成一个正反馈,不利于多个器件并联。而氮化镓的阈值电压几乎平直，甚至还有一些偏正温度系数，这样尤其适合多个器件并联来实现更大的功率。3，氮化镓器件没有P-N结，也就没有寄生的体二极管。然而氮化镓仍然可以工作在第三象限。所谓第三象限工作，就是说电流从源极流向漏极。需要注意的是这时候即便不使用门级负压关断，Vsd仍然比硅大。所谓负压关断，指的是在门级上加一个负的电压来关断器件。这样做的好处是防止因为门级上面的电压尖峰造成误开通。我们知道，硅MOS管在第三象限导通其实是通过寄生二极管的正向开通，只需要0.7到1V左右即可开通。而氮化镓反向开通的机理和硅不同，因为没有体二极管，氮化镓只能通过Vsd超过阈值电压以后使用沟道导通。一般P-GaN的增强型氮化镓器件Vsd会在2V左右。如果加了负压关断（比如Vgs=-3V），Vsd需要叠加上该电压，会增加第三象限导通损耗，这在死区时间较长的系统应用中尤为严重。这时候可以考虑反并一个超快恢复的二极管来减少损耗。4，和硅MOS相比，在相同的击穿电压和通态电阻条件下，氮化镓有低得多的寄生电容，这有利于高频开关应用。5,另外氮化镓的寄生电容，例如Crss和Coss的非线性都比硅超结MOS管更好。所谓非线性，是指寄生电容在不同漏源极电压下（例如从0V到400V）的电容值变化。非线性程度高会给系统EMC电磁兼容方面的设计带来更大的挑战。6，在同样的击穿电压和通态电阻条件下，氮化镓的门级电荷比硅超结MOS管低一个数量级。7，氮化镓没有体二极管，也就没有反向恢复电荷和反向恢复损耗。8，氮化镓有很短的上升下降沿时间，需要关注米勒效应和共源极电感对系统造成的影响。9，氮化镓在热阻测量方面和硅有所不同，硅的热阻测量依赖于体二极管的正向压降随温度的变化，而氮化镓没有P-N结，所以热阻测量就会更困难一些。10，在相同的击穿电压和通态电阻情况下，氮化镓芯片面积比硅MOS管更小，这样会增加从结到壳的热阻，我们知道标称的连续电流和结壳热阻有直接的关系，结壳热阻大，标称电流小。这也是为什么同样的击穿电压和通态电阻条件下，硅MOS管标称的连续电流值会比氮化镓高不少。

传统上硅功率器件大量使用直插引脚封装，例如TO220。这对于频率不算太高，di/dt不算太大的应用而言没有问题。然而氮化镓常常被使用在高频，高di/dt的环境中。这就需要考虑因为封装引脚带来的寄生电感的问题了。我们知道，如果驱动回路和功率回路共用一个源极引脚，会有一个共源极电感的问题。较高的di/dt会在源极电感上面感应出一个电压。在器件开通的过程中，产生上正下负的电压，阻碍器件开通。在器件关断的过程中，感应出一个下正上负的电压，阻碍器件关断。这样不仅会减慢器件的开关过程，甚至会使器件误导通。一般氮化镓比较常用的封装是DFN封装，并有开尔文脚，将功率回路和驱动回路分开。这里面有个特例就是LLC软开关拓扑。因为LLC的di/dt较小，所以TO220也可以用在LLC电路拓扑应用里面。

我们知道，芯片面积和芯片成本正相关。过去三十年，硅MOS管的技术得到很大的进步。从普通的VDMOS，到超结MOS, 硅器件本身成本也在降低，受制于材料特性，硅功率器件芯片面积和成本已经很难在下降，然而氮化镓却是一个质的飞跃。我们也看到相同的电压和电流标称值，氮化镓的Rdson会小很多。这其中的原因前面已经有提到，是跟氮化镓因为芯片面积小而带来更大的结壳热阻有关。如果我们看右下角的这张图，它反应的是品质因素（Rdson*Qg），同样的电压和类似的通态电阻，氮化镓的FOM要小很多。这意味着从理论上讲，器件的导通和开关损耗会小很多。

这张图里面讲的是氮化镓器件和超结MOS管在硬开关应用中的损耗对比。我们看到在相同的通态电阻Rdson情况下，氮化镓只有反向导通损耗高于硅超结MOS管。我们前面有提到过关于反向导通，或者说第三象限导通的问题。这里就不详述了。就总损耗而言，即使是硬开关，氮化镓的总损耗也比超结MOS更低。有兴趣的朋友可以做一个进一步的研究，会发现其实氮化镓在软开关应用场合更加有利。

这里有一些商用的氮化镓驱动芯片。氮化镓驱动芯片不同于硅驱动芯片的地方在于，硅或者碳化硅一般会需要较高的门级驱动电压，通常在12V以上。而驱动氮化镓需要5到7V的电压。同时因为氮化镓的开关速度较快，上拉下拉电流会需要大一些。如果是上下半桥驱动，就需要考虑驱动延时的问题。一般非隔离的level-shift延时太大，会给应用造成阻碍，这时候可能会需要数字隔离技术。

这里介绍一下驱动集成的氮化镓芯片。前面提到过，工业界驱动集成的氮化镓芯片分为两类，一类是单片集成，一类则是共封集成。单片集成以Navitas为代表，可以最大程度的消除驱动回路的寄生参数，让系统工作在更高的频率，这也使得一些兆赫兹频率的应用成为可能。共封装使用的是硅驱动IC加上氮化镓功率器件。因为硅驱动IC非常成熟，共封装能提供全面的驱动和保护功能。共封装的代表公司是德州仪器和Power Integrations

单片集成氮化镓IC的最大优点在于消除驱动回路的寄生参数。目前主流氮化镓工艺使用6寸或者8寸的硅衬底外延片，特征尺寸在0.5um左右。从IC工艺角度而言，这大致相当于20年前硅BCD smart power IC工艺水平。氮化镓IC工艺也可以提供诸如电容，电阻等被动元器件,但却没有P型HEMT管。这给模拟及数字电路设计带来挑战，很多常用的模拟电路模块，例如运放，LDO或者带隙基准都不易实现。比利时的IMEC氮化镓工艺平台使用SOI衬底，这样做可以方便半桥电路的上下管隔离

共封装集成氮化镓芯片的代表厂家是PI和TI两家公司。PI的SC1933C继承和发扬了PI高度集成化的传统，使用蓝宝石衬底的耗尽型氮化镓，集成级联低压MOS管，原边控制，副边控制，原副边隔离等功能。TI使用的是直接氮化镓驱动方式，使用负压关断耗尽型氮化镓器件。同时低压硅MOS管保证了在没有上电的情况下，芯片处于关断状态。以上两种都是使用耗尽型氮化镓。GaNPower的共封氮化镓IC使用增强型氮化镓功率器件，集成成熟的硅驱动IC来驱动和保护氮化镓器件

这里举例说明氮化镓器件的三种不同的驱动方式。第一种是专用驱动IC+分立器件，第二种是集成驱动氮化镓芯片，第三种是不用专门的驱动，也不用集成驱动，直接使用常规的硅控制/驱动芯片加上电阻电容等元器件组成驱动电路来驱动氮化镓。第一种方式成本最高，第二种方式成本居中。第三种方式成本最低，但这种方式仅适用于小功率和频率不算太高的场合。因为分立的电阻电容会给布线和驱动回路带来影响，增加寄生电感。

我们知道，氮化镓功率器件会逐渐取代硅超结MOS管，而碳化硅MOS管会逐步取代硅的IGBT。就氮化镓应用层面来讲，可以分为消费类，工业类和电动汽车三大类。其中消费类，特别是氮化镓超小型电源适配器已经开始量产。工业类有小规模量产，汽车类应用还需要一些时间。目前还处在预演阶段。

这里是65W超小型适配器的历史沿革。我们看到过去4年里面，有很多不同的方案呈现出来。包括三电平LLC，有源钳位反激等。甚至有公司用碳化硅做主开关管。当然成本会很高。高亮的部分为功率密度比较。我们看到目前能做到的最高的功率密度是小米/纳维的ACF+平板变压器方案。但即使如此，功率密度也没有超过20W每立方英寸。

这里比较的是氮化镓超小型65W适配器的三种方案。第一种是QR （准谐振反激），第二种是ACF（有源钳位反激），第三种是LLC数字控制谐振拓扑。这张表比较了三种方案的工作频率范围，效率，电路调试难度，体积以及成本。如果优先考虑成本，则QR （准谐振反激）为最佳。如果优先考虑体积和效率，则LLC数字控制谐振最佳。目前GaNPower/DigiQ是唯一一家提供65W LLC方案的氮化镓器件供应商

我们自己做了超过两年的研发， 成功开发出了第一个65W LLC超小型适配器。它带壳的功率密度可以达到26.5 W/inch3 ，远远超过目前已有的氮化镓适配器。在高达1.5MHz的工作频率下还能达到94.5%的效率。

这里是一些更具体的参数，在这里我就不再详述。我们的功率密度是目前氮化镓QR准谐振反激方案的两倍不止。右上图可以看到我们的65W适配器甚至看起来和苹果的5W适配器差不多！

相关链接：氮化镓功率器件及其应用（下）