【導讀】氮化镓功率半導體器件毫無疑問是目前電力電子領域中非常火熱的一個話題。當今占主導有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化镓晶體管。當人們麵臨選擇時
，有時會難以言明地傾向於使用增強型晶體管。而事實上
，Normally-off D-mode在性能、可靠性
、多樣性、可製造性以及實際用途方麵都是本質上更優越的平台。這之中的原因在於Normally-off D-mode能夠充分利用氮化镓材料本身優勢。

常閉耗盡型 (D-Mode) 與增強型 (E-Mode) 氮化镓晶體管本質優勢對比之簡短指南

氮化镓功率半導體器件毫無疑問是目前電力電子領域中非常火熱的一個話題。當今占主導有兩種晶體管類型：Normally-off D-mode和Normally-off E-mode 氮化镓晶體管。當人們麵臨選擇時，有時會難以言明地傾向於使用增強型晶體管。而事實上
，Normally-off D-mode在性能、可靠性、多樣性、可製造性以及實際用途方麵都是本質上更優越的平台。這之中的原因在於Normally-off D-mode能夠充分利用氮化镓材料本身優勢。

氮化镓中的大自然饋贈：二維電子氣 (2DEG)

氮化镓晶體管的成功很大程度上歸功於一個關鍵的自然現象：2DEG溝道。2DEG是在GaN和AlGaN薄bo層ceng界jie麵mian處chu自zi發fa形xing成cheng極ji其qi快kuai速su的de導dao電dian通tong道dao。其qi自zi發fa存cun在zai的de電dian子zi濃nong度du是shi半ban導dao體ti材cai料liao中zhong可ke達da到dao的de最zui高gao之zhi一yi。除chu此ci之zhi外wai
，它ta還hai可ke提ti供gong兩liang倍bei於yu最zui先xian進jin的de矽gui基ji或huo碳tan化hua矽gui晶jing體ti管guan的de電dian子zi遷qian移yi率lv—高達2000 cm2/V∙s。因此，二維電子氣有著非常可觀的低電阻—電容品質因數 (low resistance-versus-capacitance figure of merit) 及創紀錄的高效率。

每一個氮化镓功率器件都源自耗盡型器件

圖1展示了一個橫向 (lateral) 氮化镓功率晶體管的原型結構—這幾乎是當今市麵上所有氮化镓器件的結構。AlGaN/GaN層通過沉積在被精心設計的緩衝層隔開的矽襯底上以實現高材料質量及阻斷電壓。溝道與漏極 (Drain) 及源極 (Source) 接觸從而使電流通過。而調製電流的柵極 (Gate) 位於漏源之間並通過電介質層隔離來取得低漏電與高穩固性。場板 (Field-plate) 結構被設計用來取得最佳的電場散布及高可靠性。

圖1 氮化镓功率晶體管之完善體現—耗盡型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT)

歸功於材料本性，在AlGaN/GaN界麵處會自發形成2DEG溝道，而無需外部施加柵極電壓。意味著器件是常開型的，若想要耗盡溝道電子從而關閉它則需要給柵極加負偏壓—這就是耗盡型器件。然而
，電力電子係統往往需要常閉型器件來實現故障安全操作。

那麼這就有個問題：如何讓橫向的氮化镓高遷移率晶體管 (簡稱HEMT) 變成常閉型呢
？這就引入了Normally-off D-mode及Normally-off E-mode (p-GaN柵) 兩個不同的技術路線。

在Normally-off D-mode技術中，氮化镓HEMT的結構不變從而保持它的高性能及可靠性。在自然狀態下，2DEG溝道可不受束縛地最大化其無與倫比的高遷移率和電荷密度組合。Transphorm的Normally-off D-mode解決方案是將氮化镓HEMT與低電壓常關型矽基MOSFET結合來實現常閉型操作。該解決方案根據功率等級

、拓撲結構及係統框架可提供2.5伏至4.0伏的正閾值電壓。

相較之下，Normally-off E-mode增強型器件的方案選擇控製HEMT內部的2DEG—但這樣的設計會對2DEG優勢有負麵影響。

Normally-off E-mode增強型氮化镓器件限製了2DEG的天然優勢

在工程師們將橫向氮化镓HEMT的設計改動來實現常關型時不得不做出幾個關鍵的妥協。首先，2DEG濃度必須要減少
，這會導致相較於自然狀態下更高的單位麵積電阻 [圖2] 及更低的品質因數(FOM)。其次，空穴摻雜的p-GaN層 [圖3] 必須要添加到柵極金屬下—這一層起到一個內置的負電池（大約有-3.2伏）的作用從而關斷2DEG溝道並實現近1.6伏的較弱的正閾值電壓。

圖2 較高的薄層電阻是由於為實現關斷溝道而導致較低的溝道電子濃度

(b)

圖3 (a) Normally-off E-mode（P-GaN 柵極）結構，無柵極隔離。 (b) 示意圖顯示肖特基金屬接觸，產生危險的背靠背二極管，其間有浮動p-GaN層，導致動態閾值電壓Vth問題

在處理雜訊環境或高功率水平時，1.6V閾值電壓可能是不夠的
，往往需要使用大約 -3V 的負電壓柵極驅動，從而增加電路複雜性和額外的死區時間損耗。事實上
，在 -3V dezhajipianzhixia，congyuanjiliuxiangloujidefanxiangdianliubixukefufuzhajidianya
，zhehuidaozhiewaidegonglvsunhao。zuijin
，fuqudongduiqijiandongtaihuokaiguandianzudefumianyingxiangyichengweizhuyaoyanjiuheguanzhudejiaodian1。（這裏的動態電阻是應用中的相關電阻
，但是往往在Normally-off E-mode器件供應商的數據表中沒有明確注明）

多米諾效應：Normally-off E-mode 缺乏柵極隔離、動態閾值問題
、較低性能和脆弱性

上述 Normally-off E-mode方案是有代價的：失去柵極隔離等等。

用p-GaN 代替柵極電介質會導致柵極不再被隔離。這在正向偏壓下會產生較高的柵極電流，從而嚴重限製了Normally-off E-mode器件的最大柵極電壓額定值。為了減少較大柵極電流，可以采用另一種方法：柵極從歐姆金屬接觸改為肖特基勢壘 [圖 3b]。但是肖特基勢壘又帶來了另一個挑戰
，因為它現在阻礙了導通瞬態期間柵漏電容的放電。這個引起了“動態閾值電壓”這一有害現象
，從而導致了動態導通電阻的問題，如圖4所示。若幹個研究組都報告了這個問題2,3。在 480V 電壓下，Normally-off E-mode器件的動態導通電阻RDS(ON) 增加了 27%，而Normally-off D-mode器件僅增加了 5%，從而減少了導通損耗。圖 4裏的Normally-off E-mode數據也得到了其他一些獨立研究結果的支持4。

圖4 具有肖特基勢壘的Normally-off E-mode 器件難以對器件電容進行放電，從而導致動態閾值電壓和導通電阻問題以及更高的損耗

由於電容放電困難
，Normally-off E-mode 器件的閾值電壓在開關過程中不穩定。與Normally-off D-mode器件相比
，這會導致更高的功率損耗。（這可能就是Normally-off E-mode 製造商通常不報告動態 RDS(ON) 的原因）。為了緩解這一問題
，理論上可以對柵極進行過驅動，以降低器件柵極下方的導通電阻. 然而
，這種潛在的解決方案要求必須把柵極電壓控製在一個非常小的範圍內，因為它不能超過較低的柵極最大額定值
，以防止柵極損壞（最大隻有+7 V）

，見圖5。

圖5 Normally-off E-mode驅動器全麵開啟通道時隻有 1 V 的餘量，因此很容易導致損壞

2DEG 遷移率隨溫度升高而降低也會導致 p-GaN 柵極跨導下降 [圖 6a]
，從而導致轉換速度更慢，並且與Normally-off D-mode相比，開關損耗也更多5，效率也更低。為解決這個問題，p-GaN 柵極方案需要更大的芯片

，但是這會增加米勒電容，降低整體效率和造成更高成本。

(a)    (b)

圖6 (a) Normally-off p-GaN 柵極跨導隨溫度升高而下降，並降低柵極驅動能力; (b) Normally-off D GaN器件跨導不會隨溫度降低，因為矽柵極在高溫下不受 GaN 遷移率下降的影響

另外
，數據表也顯示Normally-off E-mode的導通電阻有著比Normally-off D-mode器件更高的溫度係數
，從攝氏25度到150度增加高達2.6倍 [圖7]，這導致了隨著溫度升高快速增長的導通損耗。

圖7 Normally-off D GaN 的電阻溫度係數優於 p-GaN 柵極 HEMT

Normally-off E-mode 器件由於缺陷注入到外延而引起的閾值電壓漂移敏感性也限製了其性能。Normally-off E-mode 的矽襯底必須連接到源極端子，以減輕由源極本身的電子注入引起的外延充電。這一設計將 Normally-off E-mode 的漏極電壓最大額定值限製為 650 V。更高的電壓需要更厚的 GaN 外延來支持加在外延上的壓降，但這個需要更複雜的生長技術和更高的成本，因此Normally-off E-mode 器件在 1200 V 的競爭中處於不利的局麵。

Normally-off D-mode結構的理念：正確的方法適用於正確的目的

Transphorm以不同的方式處理氮化镓功率半導體。其技術平台將常開型的氮化镓Normally-off D-mode HEMT與高可靠、高性能的常閉型的低壓矽MOSFET在D-mode結構中結合在一起。這確保了平台安全的常閉操作，同時保留了最高的氮化镓性能和最高的矽MOSFET柵極可靠性。

開發Normally-off D-modejiegoudanhuajiapingtaishijingguoshensishulvde
，yuanyinyouhenduo，zuizhongyaodeyuanyinshitayudanhuajiadezirantexingxietonggongzuo
，bingqieyujintiandeguijishuxianghoujianrong。tayunxupingtaiyuansu，tebieshi2DEG，發揮它們的最佳作用。因此
，與其通過Normally-off E-Mode（p-氮化镓柵極）限製氮化镓的優勢，Normally-off D-mode結構實際上更加能充分利用氮化镓的潛力。因此，Normally-off D-mode代表了一個高性能、高穩定度的氮化镓器件技術平台，具有業界領先的可靠性和多樣性。

發揮Normally-off D-Mode的自然優勢

Normally-off D-Mode結構器件不會遇到Normally-off E-Mode器件所經曆的前述挑戰。例如，其解決方案不受動態閾值問題的影響
，因為它驅動的是一個柵極隔離、低壓的矽MOSFET。閾值電壓由矽FET獨立設定，與氮化镓HEMT無關。

常閉的D-Mode結構除了2DEG外，還會產生另一個自然的附加優勢：SiN/Si界麵。該界麵自然地隔離了器件的柵極，提供了汽車級的最大柵極額定值+/-20V
，具有卓越的可靠性和大驅動餘量。閾值電壓高達4V，且不會對2DEG有任何不利影響。矽低壓MOSFET不需要負壓關斷或任何特殊的柵極驅動器。在所有開關條件下都穩定
，不存在與動態閾值問題相關的隱形的功率損耗。如圖6b所示，Normally-off D-Mode結構氮化镓器件的跨導非常高，且不會隨溫度下降
，因為它由矽MOSFET決定，並且獨立於2DEG遷移率。

誤區一：矽MOSFET會增加導通電阻和反向恢複電荷。現實是：在氮化镓Normally-off D-Mode技術中
，氮化镓芯片承受大部分的關斷高壓（>90%）。矽MOSFET僅需承受幾十伏的電壓。單位麵積的導通電阻隨著額定電壓按二次方下降，所以矽MOSFET實現了極低的導通電阻（RDS(ON)），不足總電阻的10%

，並具有非常小的反向恢複電荷（Qrr）。值得注意的是，這個Qrr比高壓超結矽MOSFET技術低一個數量級。以此為例，對於傳統的600V矽超結功率器件，電阻電荷的乘積FOM（Ron * Qrr）為145 mΩ-pC。對於650V的常閉耗盡型氮化镓，FOM降至6 mΩ-pC
，這標誌著巨大的改進。而在6 mΩ-pC中，低壓矽MOSFET僅貢獻0.5 mΩ-pC
，不到總數的10%，也不到600V矽功率器件的0.5% [圖A]。誤區破除。

圖A：600V超結矽器件、650V 氮化镓Normally-off D-Mode器件和（與氮化镓HEMT配對的）低壓矽FET的開關特性比較。低壓矽FET對整體氮化镓Normally-off D-Mode電阻和電容的貢獻很小。

誤區二：Normally-off E-mode器件沒有Qrr。現實是：在(zai)從(cong)反(fan)向(xiang)導(dao)通(tong)切(qie)換(huan)到(dao)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)時(shi)，反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)荷(he)不(bu)僅(jin)考(kao)慮(lv)雙(shuang)極(ji)性(xing)輸(shu)運(yun)裏(li)少(shao)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)複(fu)合(he)
，還(hai)包(bao)括(kuo)空(kong)間(jian)電(dian)荷(he)區(qu)域(yu)的(de)形(xing)成(cheng)，這(zhe)實(shi)際(ji)上(shang)相(xiang)當(dang)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)荷(he)（Qoss）。確實
，氮化镓 HEMT沒有反向導通的雙極性輸運，但它們仍然具有在反向恢複期間需要充電的輸出電容。簡而言之，Qrr = Qoss。Qrr並不為零。誤區破除。

這些優勢得到了實際應用數據的支持。當Transphorm的Normally-off D-Mode器件在商業電源適配器裏取代Normally-off E-mode氮化镓時
，實現了更高的效率和高達50%的機殼溫度下降（盡管這裏用的Normally-off D-Mode器件的數據表標稱導通電阻要比E-mode高30%）[圖8]。值得注意的是，即使芯片尺寸更小、數據表裏電阻更高
，Transphorm的Normally-off D-Mode氮化镓器件（商標為SuperGaN）在性能上也還是優於Normally-off E-mode器件。

圖8：Transphorm的Normally-off D-Mode氮化镓器件SuperGaN和P-GaN E-mode HEMT在280瓦雷蛇電源適配器上的性能差異。

GaN 的封裝多樣性等於客戶應用的兼容性

D-Mode常閉平台非常適合各種標準封裝，例如通孔、表麵貼裝和多芯片模塊。這些封裝本身具有高性能和高可靠性
，增加了氮化镓平台本身的性能和可靠性。

借助於現代封裝技術，Transphorm高功率Normally-off SuperGaN產品的寄生電感得以最小化。其采用了芯片堆疊技術和類似矽管的引線鍵合技術 [圖 9]
，無需引入額外的引線鍵合和額外的寄生電感。Normally-off D-Mode產品也支持其他的封裝方案，例如銅夾扣鍵合(Copper Clip)和開爾文源極(Kevin source)等等。

圖9：SuperGaN FET 芯片堆疊封裝（TO-247）。也可以采用表貼封裝
，如 PQFN、TOLL
、TOLT 或模塊

誤區三：D-Mode GaN會振蕩。事實：D-Mode GaNjuyouhendadezengyi。zengyibenshenshiyouyide，keyishixianfeichangkuaisudekaiguan。danxuyaozhengqueliyongtacainengshixiansuoxudexingneng，tongshifangzhichuxianbuliangyingxiang，liruzhendang。weilefangzhizhendangbingchongfenliyongrenhekuaisukaiguanbandaotiqijian，dianlugongchengshiyingzunxunyizubiaozhunshejiyuanze
，liru：最小化柵極和電源環路電感、選擇正確的柵極電阻和柵極鐵氧體磁珠，在需要的地方采用 RC 緩衝器（主要是在直流鏈路上，盡可能靠近設備的漏極端子）。所有這些設計原則都很容易實施，並在應用筆記 AN00096 中進行了總結
，如果實施得當，它們不會降低 GaN HEMT 的性能。相反，它們會增強其性能，同時抑製振蕩和電磁幹擾 (EMI)。參見波形圖 B。誤區破除。

圖 B：GaN 共源共柵器件具有高增益。良好的電路設計和優化的電源環路電感有助於抑製振蕩並實現快速開關和高性能

一些額外優勢

Normally-off D-Mode結構還非常適合係統級封裝集成，其中柵極驅動器和控製器與 D-mode HEMT + 低壓 Si FET（單片或混合）無縫集成
，為滿足不同的終端需求增加了另一種選擇。

此外，D-mode結構裏的GaN HEMT 不需要將源極連接到襯底。一個浮動或絕緣基板可實現更高的額定電壓（例如：高達 1200 V7）和雙向開關器件8。而對於p-GaN 柵極的E-modeqijian，ruguoxiangyaokaifashuangxiangkaiguanqijian
，yigekunnanzaiyudanglianggeduanzidejixingcongjiedidianyadaozhiliuzongxiandianyajiaotishi
，jibanyinggailianjiedaonageduanzi？duiyu p-GaN 柵極 HEMT 來說

，這是一個沒有明確答案的問題。

D-mode HEMT 還具有一些當今 E-mode HEMT 無法輕易獲得的優勢。例如
，隨著 GaN器件滲透到電機驅動市場
，它將需要具備短路能力。 D-mode的絕緣柵電壓處理可實現非常優雅的設計方法。事實證明，此類方法可將 Transphorm D-mode器件的短路耐受時間 (SCWT)增大到 5 微秒9
，滿足商用柵極驅動器的要求。值得注意的是，Transphorm 通過其專有的半導體工藝實現了 SCWT


，無需添加額外的掩模或電流感應引腳
，使得三引腳封裝仍然適用。迄今為止

，E-mode器件似乎還沒有為這種可能性做好充分準備，隻有有限演示，有時甚至具有誤導性。

結論

結合上述優勢，Transphorm Normally-off D-Mode氮化镓技術平台（SuperGaN）產生了一係列器件，優化並且放大了 GaN 作為半導體材料的固有優勢，為下一代電力電子產品提供真正革命性的功率轉換解決方案。

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