GaN功率器件：如何改进架构并推广应用？

芝能智芯出品

随着功率器件需求在不同应用场景中的快速增长，单一材料的解决方案已经无法满足电压和电流范围的全面要求。HVsednc

基于此，复合材料与创新架构逐渐成为改善器件性能的关键手段，氮化镓（GaN）凭借高电子迁移率和开关速度的优势，在低功耗和部分高压应用中展现出强大的竞争力。HVsednc

通过与硅（Si）和碳化硅（SiC）等材料的结合，GaN 器件架构的改进正在推动电力电子领域的革命性进展，我们一起探讨基于 GaN 的新型架构在提升击穿电压、降低功耗和适应高功率密度等方面的创新进展及其在多样化应用场景中的潜力。HVsednc

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Part 1

GaN 与其他材料的集成应用

● GaN 与硅的协同优化HVsednc

氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）具有低导通电阻和高开关速度的特点，特别适合于低电压和高频率应用。然而，在高压场景下，单一 GaN 器件性能不足，因此通过与硅基 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的结合可以实现性能互补。HVsednc

例如，Cambridge GaN Devices 的“ICeGaN”模块结合 GaN HEMT 和硅 IGBT，不仅增强了牵引逆变器在低负载状态下的效率，还大幅降低了寄生损耗。这种架构能够在电动汽车等长时间运行于低负载状态的应用中展现显著优势。HVsednc

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● GaN 与 SiC 的联合提升HVsednc

与硅相比，碳化硅（SiC）因其高击穿电压和低功耗的特性，在高功率场景中表现更佳。HVsednc

香港科技大学的研究提出，将低压 GaN HEMT 与高压 SiC JFET（结型场效应晶体管）相结合，形成两级共源共栅器件。HVsednc

这种组合架构利用 GaN 的高开关速度和 SiC 的高电压承载能力，不仅实现了极低的寄生损耗，还显著提升了整体系统效率。特别是在工业电源转换器和新能源汽车充电系统中，这种集成设计为应对宽电压范围需求提供了可行的解决方案。HVsednc

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● GaN 与其他半导体的混合拓展

加州大学圣巴巴拉分校的研究展示了另一种结合 GaN 和低压硅 MOSFET 的混合架构，这种器件实现了 1,200V 的高额定电压和 170A 的高电流传输能力。HVsednc

通过蓝宝石衬底上的 GaN 工艺优化，该器件展现了更高的可靠性和隔离性能，适用于更苛刻的电力环境，如航空航天和工业自动化。HVsednc

Part 2

创新 GaN 器件架构的突破

● 横向 GaN 设计的击穿电压优化HVsednc

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横向 HEMT 的击穿电压提升一直是实现高压应用的关键挑战。HVsednc

香港科技大学的研究通过增加硅掺杂的 n-GaN 层，有效解决了传统 p-GaN HEMT 在瞬态电压下的可靠性问题，设计实现了高达 1,500V 的瞬态承受能力，为高压电源控制提供了坚实保障。HVsednc

通过引入超结 GaN HEMT 结构，利用交替的 p-GaN 和 2DEG 材料条纹优化电场分布，使器件击穿电压超过 10kV，进一步扩展了 GaN 在极高压场景下的应用潜力。HVsednc

● 垂直 GaN 架构的高功率密度实现HVsednc

垂直器件架构因其高功率密度和更优的散热性能而备受关注。HVsednc

斯坦福大学提出的环绕栅极电流孔径垂直电子晶体管（WG-CAVET）通过增加垂直重复结构，实现了更高的电流处理能力。HVsednc

与此同时，松下工程师通过在传统 GaN JFET 中融入屏蔽结构，降低了寄生电容并将开关速度提升近一倍。这些进展表明，垂直 GaN 器件在小型化和高功率场景中的应用潜力巨大。HVsednc

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● 晶体方向和材料质量的协同优化

丰田研究团队提出的基于 m 平面流动电流的 GaN MOSFET 设计，克服了 c 平面在高温环境下的性能波动问题。HVsednc

通过结合 AlN 夹层优化界面陷阱，这种设计成功实现了超过 180 cm²/V-sec 的高迁移率，为电动汽车和航空航天等要求高温稳定性的应用奠定了基础。HVsednc

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小结HVsednc

GaN 器件的架构改进正在引领功率电子领域的下一次技术浪潮。通过与硅、SiC 等材料的集成，结合横向和垂直设计的创新优化，GaN 技术在宽电压范围内的适用性显著提高，仍需解决的挑战包括材料成本、工艺复杂性以及在大规模生产中保持高性能的一致性，器件设计者需在不同应用需求间找到最佳的性能与成本平衡点。HVsednc

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