在文章"提升開關頻率（一） 芯導科技MOSFET工藝結構的發(fā)展與演進"中，我們介紹了芯導科技MOSFET產品針對高頻需求的工藝發(fā)展路線。

但隨著手機快充、適配器、新能源充電設備、激光雷達、航空航天等，對體積、工作效率和高溫性能的要求進一步提升，傳統(tǒng)硅MOS已經(jīng)幾乎接近物理極限，具有高頻、耐高壓、耐高溫等諸多材料優(yōu)勢的第三代半導體（GaN、SiC）功率器件接棒領航，逐漸成為引領行業(yè)發(fā)展的主流技術。

針對高頻應用需求，芯導科技利用P-GaN方案和Cascode方案的不同應用場景和優(yōu)勢，圍繞提升開關頻率為客戶提供高效解決方案的理念，開發(fā)了一系列GaN HEMT產品，包含低壓到高壓（40V~700V）不同電壓等級。

文章導讀：

1、氮化鎵GaN與碳化硅SiC的“抉擇”

2、氮化鎵GaN：革命性的材料

3、GaN外延技術發(fā)展趨勢

4、GaN HEMT器件結構演進

5、GaN HEMT市場應用發(fā)展

氮化鎵GaN與碳化硅SiC的“抉擇”

電力電子高端產品的開發(fā)向來以 “極致要求” 為標尺，而在第三代半導體核心器件的技術選型環(huán)節(jié)，氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）兩種方案的優(yōu)劣取舍，往往讓工程師陷入兩難的決策困境。

如上圖，橫軸代表著工作頻率，在百KHz以上，GaN材料將越發(fā)表現(xiàn)出其巨大潛力，因而在高頻應用領域，更加推薦采用GaN方案；縱軸代表著開關功率，在10KW+級別，SiC材料將更容易發(fā)揮其耐高壓耐高溫的大功率應用優(yōu)勢。因而可以籠統(tǒng)的講：氮化鎵勝在高頻應用，碳化硅勝在大功率應用。

然而在實際情況中，不可忽視的，GaN/SiC兩種不同的材料在應用領域，存在著明顯的交叉區(qū)域（Competition Zone）。那么面臨實際應用需求，可以進一步如下進行考量：

（不同應用要求對GaN和SiC選擇）

因此針對高頻應用的核心需求，氮化鎵（GaN）方案顯然更為合適：其天生的高頻工作優(yōu)勢，既能降低系統(tǒng)的能量損耗，又能簡化電路設計，在高頻場景下的表現(xiàn)遠超傳統(tǒng)硅基方案，也比碳化硅（SiC）方案更具適配性。

氮化鎵GaN：革命性的材料

GaN材料主要具有三大優(yōu)勢：

耐高溫：寬禁帶GaN材料（3.39eV）的禁帶寬度是Si材料（1.12eV）的三倍，有助于實現(xiàn)更高工作溫度(>175℃)，極大拓展了高溫應用領域。

耐高壓：GaN材料擊穿場強（3.3MV/cm）是Si材料（0.3MV/cm）的11倍，使得相同目標的耐壓情況下，GaN器件尺寸遠遠小于Si MOS，促使器件小型化的實現(xiàn)。

高頻優(yōu)勢：AlGaN/GaN異質結結構形成的二維電子氣（2DEG）的電子遷移率可以高達2000 cm2/V*s， 是Si材料的1.4倍以上。同時GaN材料飽和電子速率也是Si材料的2.5倍?？梢詫崿F(xiàn)更快的載流子輸運能力，支撐更高頻率的開關性能要求（>500KHz）。

（材料參數(shù)對比）

通過利用GaN器件提升開關工作頻率，減小電容電感等物料應用，從而縮小整體方案體積，提升功率密度和效率，有效降低整體方案的成本，為終端客戶創(chuàng)造價值。

GaN外延技術發(fā)展趨勢

由于GaN材料的單晶生長難度較高，通常情況下，業(yè)界GaN外延通常采用成熟的異質襯底材料（如Si/SiC/Sapphire/SOI/QST等）?？紤]到成本和產業(yè)鏈上下游成熟度問題，硅Si基氮化鎵、藍寶石Sapphire基氮化鎵產品已陸續(xù)在功率器件領域落地商業(yè)化。

（幾種GaN襯底材料的主要特性對比）

在不久的將來，隨著SiC襯底價格的進一步優(yōu)化，碳化硅SiC基氮化鎵功率器件將成為可能。SiC與GaN材料具有良好的晶格失配率、熱失配率、熱傳導率，因而碳化硅SiC基氮化鎵外延缺陷密度小、散熱優(yōu)勢明顯，有助于大幅度提升GaN器件的應用可靠性，兼容SiC的大功率優(yōu)勢和GaN的高頻優(yōu)勢，進一步擴大GaN器件的市場規(guī)模。

GaN HEMT器件結構演進

由于AlGaN/GaN兩種材料所發(fā)生的自發(fā)極化和壓電極化，使得GaN溝道內部大量的電子在極化作用下聚集到AlGaN/GaN界面處，形成二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas，2DEG），并由此表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電子遷移率，在此基礎上所形成的GaN器件被稱作高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT），即GaN HEMT。

GaN HEMT為平面型器件結構，但由于2DEG較高的電子遷移率，使得650V GaN HEMT器件比導通電阻Rsp可以達到目前SJ-MOS（Super Junction MOSFET）1/3水平甚至更低，具有明顯的產品小型化優(yōu)勢，即成本優(yōu)勢。且GaN HEMT器件可以支持MHz開關頻率，遠遠超過目前Si基MOS的開關頻率上限。

GaN HEMT 器件結構

如上GaN HEMT器件結構，在Gate柵極不施加影響情況下，GaN溝道內部特別是2DEG是相通的，器件處于常開狀態(tài)，即學術上稱為D-mode（耗盡型，Depletion-mode，器件處于常開狀態(tài)）。只有在Gate柵極加負壓（-20V）才能在電場作用下，使得柵極下方的2DEG及GaN溝道內部電子被“耗盡”，從而使得器件關斷。

這種一般情況下處于常開狀態(tài)，需要在柵極加負壓進行關斷的器件，并不適用于現(xiàn)在的應用拓撲電路結構。因而業(yè)界通常在D-mode基礎上進行改良，使得器件被優(yōu)化成常關型器件，即E-mode（增強型，Enhancement-mode，器件處于常關狀態(tài)）。

E-mode GaN HEMT器件方案

學術界開發(fā)E-mode方案多種多樣，然而截至目前商業(yè)化較為成功的E-mode方案是Gascode方案和P-GaN方案。

對比Cascode方案和P-GaN方案在多個方面各有優(yōu)缺：

（GaN方案對比）

GaN Cascode方案：

將一顆30V MOS與D-mode GaN HEMT器件進行級聯(lián)模式相連，使得兩顆器件形成一個整體，通過控制30V MOS的柵極G進行控制整體的開關，使得Cascode整體是個常關型器件。如下圖（右），兩顆器件（GaN和MOS）通過封裝打線等形式連接起來形成cascode整體，包含源漏柵管腳。

Cascode級聯(lián)方案（左）和打線示意圖（右）

GaN Cascode方案優(yōu)勢：

在工作電壓Vgs范圍與普通MOS兼容，因而不需要特殊的驅動處理，可以直接替代現(xiàn)有的SJ-MOS方案。且高閾值Vth=4V的開發(fā)，使得器件使用中避免尖峰電壓和串擾等因素影響，更具可靠性。但是由于級聯(lián)低壓MOS開關頻率受限，因而很難發(fā)揮高頻（MHz）優(yōu)勢。

芯導科技Cascode GaN HEMT主推型號

GaN P-GaN方案：

在GaN外延環(huán)節(jié)，引入P-GaN帽層結構，使得器件柵極Gate下方形成P-GaN/AlGaN/GaN結構，通過空穴-電子對作用“消耗”柵極Gate下方的電子，從而使得器件在柵極下方處于關斷狀態(tài)，即常關型器件。通過引入場板結構（Field plate，F(xiàn)P）來平衡電場分布，進一步優(yōu)化器件性能，如下圖。

P-GaN方案

P-GaN方案優(yōu)勢：

能夠充分發(fā)揮GaN高頻優(yōu)勢（>MHz），且其優(yōu)異的FOM值表現(xiàn)，也代表著器件較低的開關功耗和導通損耗，然而其工作電壓Vgs受限（~10V~7V）因而需要特殊處理的驅動IC進行匹配，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

芯導科技P-GaN GaN HEMT主推型號

GaN HEMT市場應用發(fā)展

GaN HEMT功率器件的應用核心圍繞高頻、高效、小型化、輕量化展開，消費電子是當前基本盤，新能源汽車是最大增長極，通信、儲能、工業(yè)是核心支撐，航天是高端壁壘，已成為第三代半導體中商業(yè)化速度最快、應用場景最廣的核心器件。

消費類：包含PD快充、適配器、手機、Pad、筆記本電腦等消費類電子產品應用，發(fā)揮GaN器件小型化和高頻優(yōu)勢，解決了應用方案“大功率化”和“小型化”的核心矛盾點。

家電類：覆蓋烘干機、電視、冰箱、洗衣機、空調等家用電器應用場景，能夠降低功耗，提升能效等級，同時實現(xiàn)系統(tǒng)成本優(yōu)化。

工業(yè)機器人：激光雷達、工業(yè)電機等領域，得益于GaN提升開關頻率和器件小型化的優(yōu)勢，為機器人產業(yè)打造更高效、更緊湊的設計方案。

AI數(shù)據(jù)中心：圍繞服務器電源PSU，CPU/GPU供電模塊等，提升供電架構的轉換效率。AI 數(shù)據(jù)中心所需的計算能力和能源需求快速增長，將推動對能夠處理與AI 服務器相關的大量負載的先進解決方案的需求。曾經(jīng)3.3 kW 的電源現(xiàn)在正在向 5.5 kW 發(fā)展，預計每臺電源將達到 12 kW 或更高。通過GaN的應用，AI 數(shù)據(jù)中心可以提高功率密度，這直接影響給定機架空間內可提供的計算能力。

新能源汽車：在車載電源、驅動系統(tǒng)、充電系統(tǒng)三大板塊， 充分發(fā)揮GaN器件優(yōu)勢，有助于提高充電效率、功率密度，與高端SiC解決方案相結合，達到高效化、小型化、輕量化的方案要求，實現(xiàn)車企降本增效的目標。

航空航天：GaN HEMT耐高溫、抗輻射、耐高低溫、高頻小型化、輕量化特性，完美適配航空航天的嚴苛工況，是特種電子設備的核心器件。

綜上所述，從高性能MOSFET到第三代半導體GaN器件，芯導科技不斷攀登技術高峰，打造一系列適合高頻應用的半導體產品，為客戶提供產品與服務保障。

企業(yè)介紹

芯導科技(Prisemi)專注于高品質、高性能的模擬集成電路和功率器件的開發(fā)及銷售，總部位于上海市張江科學城。

公司于2009年成立，至今已獲國家級專精特新“小巨人”企業(yè)、“上市公司金牛獎”、“上市公司金質量獎”、“功率半導體領軍企業(yè)”、“上海市規(guī)劃布局內重點集成電路企業(yè)”、“高新技術企業(yè)”、“上海市科技小巨人企業(yè)”等榮譽資質，并已擁有百余項知識產權。公司已在上海證券交易所科創(chuàng)板上市，股票簡稱"芯導科技"，股票代碼為688230.SH。

芯導科技專注于功率IC（鋰電池充電管理 IC、OVP過壓保護 IC、音頻功率放大器、GaN 驅動與控制IC、DC/DC電源IC等）以及功率器件（ESD、EOS/TVS、MOSFET、GaN HEMT、SiC MOS、SiC SBD、IGBT等）的開發(fā)及應用。公司在深耕國內市場的同時，積極拓展海外市場，目前產品已遠銷歐美日韓及東南亞等國家與地區(qū)，可應用于移動終端、網(wǎng)絡通信、安防工控、電源、儲能、汽車電子、光伏逆變器等領域。