GaN HEMT基本概述

氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)作为宽禁带(WBG)功率半导体器件的代表，器件在高频功率应用方面有巨大的潜力。GaN材料相比于 Si 和SiC 具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场，如图1所示。

由于材料上的优势，GaN功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷(意味着更优秀的传导和开关性能)。因此GaN功率器件更适合于高频应用场合，对提升变换器的效率和功率密度非常有利。目前GaN功率器件主要应用于电源适配器、车载充电、数据中心等领域，也逐渐成为5G基站电源的最佳解决方案。

GaN HEMT的分类

两种常见的常关型GaN HEMT

(共源共栅型和单体增强型)

共源共栅型GaN功率器件通过低压增强型Si MOSFET和耗尽型GaN HFET串联封装形成常关器件。Si MOSFET的输出电压决定了HFET的输入电压，在导通模式下共享相同的沟道电流。共源共栅型GaN功率器件的缺点：两个器件的串联连接增加封装的复杂性，将在高频工作环境中引入寄生电感，可能影响器件的开关性能。

单体增强型P-GaN功率器件单体增强型器件在AlGaN势垒顶部生长了一层带正电(P型)的GaN层。P-GaN层中的正电荷具有内置电压，该电压大于压电效应产生的电压，因此它会耗尽2DEG中的电子，形成增强型结构。单体增强型器件优点：内部寄生参数较小，开关性能会更加优异。

GaN HEMT结构原理图解

(常开型GaN HEMT为例)

典型AlGaN/GaNHEMT器件的基本结构如图5所示。器件最底层是衬底层(一般为SiC或Si材料)，然后外延生长N型GaN缓冲层，外延生长的P型AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结。最后在AlGaN层上淀积形成肖特基接触的栅极(G)，源极(S)和漏极(D)进行高浓度掺杂并与沟道中的二维电子气相连形成欧姆接触。

GaN HEMT工作原理详解

AlGaN/GaNHEMT为异质结结构器件，通过在GaN层上气相淀积或分子束外延生长AlGaN层，形成AlGaN/GaN异质结。GaN半导体材料中主要存在纤锌矿与闪锌矿结构两种非中心对称的晶体结构。

在这两种结构中，纤锌矿结构具有更低的对称性，当无外加应力条件时，GaN晶体内的正负电荷中心发生分离，在沿极轴的方向上产生极化现象，这种现象称为GaN的自发极化效应。在外加应力下，由于晶体受到应力产生晶格形变，使得内部正负电荷发生分离，在晶体内部形成电场，导致晶体表面感应出极化电荷，发生压电效应。由于压电极化和自发极化电场方向相同，在电场作用下使得异质结界面交界处感应出极化电荷。

由于AlGaN材料具有比GaN材料更宽的带隙，在到达平衡时，异质结界面交界处能带发生弯曲，造成导带和价带的不连续，在异质结界面形成一个三角形的势阱。从图6中可以看到，在GaN一侧，导带底EC已经低于费米能级EF，所以会有大量的电子积聚在三角形势阱中。同时宽带隙AlGaN一侧的高势垒，使得电子很难逾越至势阱外，电子被限制横向运动于界面的薄层中，这个薄层被称之为二维电子气(2DEG)。

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