GaN HEMT器件的结构和工作模式

继上一篇屏蔽栅MOSFET技术简介后，我们这次介绍下GaN HEMT器件。GaN 半导体材料是一种由镓元素与氮元素组成的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，在消费电子领域，特别是快速充电器产品的成功商用，昭示了其成熟的市场地位与广阔应用前景。

目前热门的AI的崛起加速了数据中心向更高层次演进的需求。相较于传统硅基功率器件构建的电源系统，GaN 基电力电子系统在功率密度与体积效率方面具有显著优势，这种性能优势源于 GaN 材料固有的物理特性;宽禁带特性赋予材料高临界击穿场强、优异的载流子输运特性以及高热导率特性，使得 GaN 基器件在降低开关损耗与提升功率密度方面形成技术代差优势。下图1是常见半导体参数以及图2是GaN HEMT器件结构以及SiC MOSET器件结构。

图1 常见半导体材料参数

图2 GaN HEMT器件结构以及SiC MOSET器件结构

目前氮化镓HEMT按照器件工作模式，可分为常开(耗尽型)和常关(增强型)两种方式，如下图3所示。在横向结构中由AlGaN/GaN异质结组成的GaN异质结场效应晶体管(HFET)包括一层高迁移率电子：二维电子气(2DEG)，2DEG在功率器件漏极和源极之间形成通道。常开(耗尽型)：当栅源电压为零时，漏源极之间已存在2DEG通道，器件导通。当栅源电压小于零时，漏源极2DEG通道断开，器件截止。常关(增强型): 当栅源电压大于零时，漏源极之间2DEG通道形成，器件导通。常开(耗尽型)器件在启动过程中可能会出现过冲或失去功率控制，因此不适用于电源变换器等应用中。常关(增强型)器件通过简单的栅极驱动控制，在电力电子广泛应用。

图3 GaN HEMT器件类型

GaN HEMT凭借其在高频、高功率密度和快速开关方面的优势，在5G基站、射频放大器和快速开关电源转换器等领域有着广泛应用。其中，e-GaN 适用于低压范围，而串一个硅MOS的d-GaN（Cascode d-GaN）则在较高电压下工作。随着科技的不断进步，GaN HEMT的应用前景将更加广阔。尽管它目前还存在一些局限性，但随着技术的发展和创新，这些问题有望逐步得到解决。

未来，GaN HEMT可能会在更多领域发挥关键作用，推动电子技术向更高水平迈进。无论是在通信、能源还是汽车电子等领域，我们都有理由期待 GaN HEMT 带来更多的惊喜和变革。