什么是d-GaN、e-GaN 和 v-GaN？其有何特点及应用？
gan是常用半导体材料中能隙最宽、临界场最大、饱和速度最高的材料。此外，algan/gan 异质结构的自发压电极化产生二维电子气 (2deg)，具有高迁移率和高沟道密度，无需使用掺杂。这些因素有助于最小化导通电阻 (ron)，并且横向 gan 器件结构具有极小的寄生电容和开关电荷，可实现非常高频的操作。
gan 是一种宽带隙 (wbg) 材料，其带隙为3.4 ev（si 为 1.12 ev，4h-sic 为 3.2 ev）这使gan 能够在更高的温度下工作，从而也提高了使用 gan hemt 的转换器的潜在功率密度。gan 的热导率为 2.0 w/cmk，介于导热率为 1.5 w/cmk 的 si 和4.9 w/cmk 的 4h-sic 之间。
gan 的 3.3 mv/cm 的高击穿场比 si 的0.3 mv/cm 高 11 倍。这意味着gan 层可以比 si 薄 11 倍，并且仍能承受相同的电压，并且 gan 层将具有较低的电阻率，从而有助于降低 ron。gan 的高沟道迁移率（高达 2000 cm2/v s）和高饱和速度（2.5 × 107 cm/s）也有助于降低 ron。
**▍**横向 d-gan 和 e-gan
在横向 gan hemt 中，栅极、源极和漏极都在顶部，栅极位于 algan 层上，源极和漏极穿过 algan 层与下面的 2deg 形成欧姆接触，这就是电流产生的地方。
在d型和e型的hemt中，较高电压的器件在漏极和栅极之间有较大的分离。d型gan器件通常是导通的，电流在漏极和源极之间流动，而栅极上没有施加电位。当使用d-gan器件时，必须在打开功率变换器之前关闭开关，以避免启动时出现短路。在功率变换应用中，d型gan hemt不能作为独立的开关使用。
图源：odyssey semi
功率转换器中使用的 gan hemt 必须是常关器件，以确保安全运行：如果栅极驱动器关闭或发生故障且其输出为零，则 hemt 必须关闭。如果不修改 d 型 gan 结构，这是不可能的。两种常见的解决方案是：
在栅极和 algan/gan 异质结构之间放置一个 p-gan 或 p-algan 层。p 型层有效地耗尽了 vgs = 0 的 2deg，从而产生了常关器件， 这种方法称为 e-gan。
使用一对级联器件，包括一个d-gan hemt和一个低电压si mosfet。使用si mosfet来打开和关闭组合器件是有优势的，而gan hemt则提供了高电压和低ron操作。
图源：gan systems
**▍**级联型氮化镓
级联结构将高压 d-gan hemt（例如 600v）和低压 si mosfet（通常为 30v 器件）共同封装以实现增强模式运行。si mosfet 用于在 ron 或反向恢复电荷 (qrr) 增加最小的情况下打开和关闭 gan hemt。与单独使用 gan 器件相比，将 600v gan 器件与 si mosfet 结合使用时，ron 增加不到 5%。qrr的增加甚至更低，组合结构的qrr比额定值与高压hemt相同的高压si mosfet低约一个数量级。
图源：power integrations
级联器件的效率和热特性与e-gan器件相似。但是，级联结构具有坚固可靠的硅介质栅极结构，其有效栅极额定值高达±20v，使其与标准、低成本的栅极驱动ic兼容。
级联器件通常用于高电压、大电流和大功率的应用，如汽车系统。使用符合aec-q101标准的si mosfet可以简化级联器件的汽车认证。相对较高的4v阈值电压最大限度地减少了由于高dv/dt或di/dt而导致的意外导通的可能性，并最大限度地减少了击穿风险。
**▍**用于高压的 v-gan
虽然现在的 gan fet 采用横向结构，但大多数硅（si）和碳化硅（sic）功率器件采用垂直结构，采用杂质掺杂来制造器件横向。gan fet是在硅晶圆上制造的，硅晶圆价格相对低廉，而且有大尺寸，有助于最大限度地降低d-gan和e-gan器件的成本。
在硅上生长氮化镓的一个缺点是氮化镓层中晶体缺陷的增加，可能达到108 cm-2，甚至更大。这些缺陷降低了器件的高压能力，将横向gan器件限制在900v或更低。
在大多数电源或电池供电的应用中，额定电压为900v或更低的器件就足够了，横向 gan 器件解决了一个非常大的市场。对于更高的电压应用，目前使用的是si和sic器件，而新兴的v-gan技术是针对需要额定电压为1kv及以上的器件的应用。
v-gan器件需要块状gan衬底。由于漂移区和衬底都是gan，缺陷密度需要比生长在si衬底上的横向gan低得多。v-gan结构的缺陷密度约为103至105 cm-2，比横向结构低1000至10000倍。v-gan器件结构的低缺陷密度将转化为高达10kv或更高的额定电压。
图源：odyssey semi
目前，尺寸大于 100mm 的块状gan 衬底不可用，显着增加了 v-gan 器件的成本。然而，v-gan 器件的裸片尺寸比 sic 器件小得多，有助于缩小成本差距。更大块状 gan 衬底的可用性将是降低 v-gan 功率晶体管成本的关键之一。允许使用更小、成本更低的无源器件的更高频率以及 v-gan 功率转换器预期的更高效率也将成为未来采用这种新兴技术的关键。
**▍**总结
gan hemt 的卓越性能部分源于材料特性，包括宽带隙、临界场以及饱和速度等等。gan 器件具有非常小的寄生电容和开关电荷，能够实现非常高的频率运行。
而现在也有许多 gan 解决方案，包括分立的 e-mode gan 晶体管、采用低电压 si mosfet 的级联结构的 d-mode 高压 gan 器件等等，再加上v-gan 器件的出现，有望将 gan 的工作电压从目前的 600 v 到 900 v 提高到10 kv 或更高。
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gan 的 3.3 mv/cm 的高击穿场比 si 的0.3 mv/cm 高 11 倍。这意味着gan 层可以比 si 薄 11 倍，并且仍能承受相同的电压，并且 gan 层将具有较低的电阻率，从而有助于降低 ron。gan 的高沟道迁移率（高达 2000 cm2/v s）和高饱和速度（2.5 × 107 cm/s）也有助于降低 ron。
**▍**横向 d-gan 和 e-gan
在横向 gan hemt 中，栅极、源极和漏极都在顶部，栅极位于 algan 层上，源极和漏极穿过 algan 层与下面的 2deg 形成欧姆接触，这就是电流产生的地方。
在d型和e型的hemt中，较高电压的器件在漏极和栅极之间有较大的分离。d型gan器件通常是导通的，电流在漏极和源极之间流动，而栅极上没有施加电位。当使用d-gan器件时，必须在打开功率变换器之前关闭开关，以避免启动时出现短路。在功率变换应用中，d型gan hemt不能作为独立的开关使用。
图源：odyssey semi
功率转换器中使用的 gan hemt 必须是常关器件，以确保安全运行：如果栅极驱动器关闭或发生故障且其输出为零，则 hemt 必须关闭。如果不修改 d 型 gan 结构，这是不可能的。两种常见的解决方案是：
在栅极和 algan/gan 异质结构之间放置一个 p-gan 或 p-algan 层。p 型层有效地耗尽了 vgs = 0 的 2deg，从而产生了常关器件， 这种方法称为 e-gan。
使用一对级联器件，包括一个d-gan hemt和一个低电压si mosfet。使用si mosfet来打开和关闭组合器件是有优势的，而gan hemt则提供了高电压和低ron操作。
图源：gan systems
**▍**级联型氮化镓
级联结构将高压 d-gan hemt（例如 600v）和低压 si mosfet（通常为 30v 器件）共同封装以实现增强模式运行。si mosfet 用于在 ron 或反向恢复电荷 (qrr) 增加最小的情况下打开和关闭 gan hemt。与单独使用 gan 器件相比，将 600v gan 器件与 si mosfet 结合使用时，ron 增加不到 5%。qrr的增加甚至更低，组合结构的qrr比额定值与高压hemt相同的高压si mosfet低约一个数量级。
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级联器件的效率和热特性与e-gan器件相似。但是，级联结构具有坚固可靠的硅介质栅极结构，其有效栅极额定值高达±20v，使其与标准、低成本的栅极驱动ic兼容。
级联器件通常用于高电压、大电流和大功率的应用，如汽车系统。使用符合aec-q101标准的si mosfet可以简化级联器件的汽车认证。相对较高的4v阈值电压最大限度地减少了由于高dv/dt或di/dt而导致的意外导通的可能性，并最大限度地减少了击穿风险。
**▍**用于高压的 v-gan
虽然现在的 gan fet 采用横向结构，但大多数硅（si）和碳化硅（sic）功率器件采用垂直结构，采用杂质掺杂来制造器件横向。gan fet是在硅晶圆上制造的，硅晶圆价格相对低廉，而且有大尺寸，有助于最大限度地降低d-gan和e-gan器件的成本。
在硅上生长氮化镓的一个缺点是氮化镓层中晶体缺陷的增加，可能达到108 cm-2，甚至更大。这些缺陷降低了器件的高压能力，将横向gan器件限制在900v或更低。
在大多数电源或电池供电的应用中，额定电压为900v或更低的器件就足够了，横向 gan 器件解决了一个非常大的市场。对于更高的电压应用，目前使用的是si和sic器件，而新兴的v-gan技术是针对需要额定电压为1kv及以上的器件的应用。
v-gan器件需要块状gan衬底。由于漂移区和衬底都是gan，缺陷密度需要比生长在si衬底上的横向gan低得多。v-gan结构的缺陷密度约为103至105 cm-2，比横向结构低1000至10000倍。v-gan器件结构的低缺陷密度将转化为高达10kv或更高的额定电压。
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而现在也有许多 gan 解决方案，包括分立的 e-mode gan 晶体管、采用低电压 si mosfet 的级联结构的 d-mode 高压 gan 器件等等，再加上v-gan 器件的出现，有望将 gan 的工作电压从目前的 600 v 到 900 v 提高到10 kv 或更高。
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