如何使用氮化鎵器件：引進(jìn)氮化鎵晶體管技術(shù)

在功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中，D 型器件并不方便，因?yàn)樵诠β兽D(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)，必須首先在功率器件施加負(fù)偏置，否則會(huì)導(dǎo)致短路。反之，增強(qiáng)型(E 型)器件沒(méi)有這個(gè)限制。在柵極為零偏置時(shí)，E 型器件處于“關(guān)斷”狀態(tài)，及不會(huì)傳導(dǎo)電流。當(dāng)宜普電源轉(zhuǎn)換公司推出商用增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管后，大大減低了使用氮化鎵晶體管來(lái)設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的難度。

增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)

宜普的增強(qiáng)型的工藝開(kāi)始于硅晶圓。在硅基上生成的一層氮化鋁(AlN) 的薄層，為隨后生長(zhǎng)的氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供一層晶種層。由AlGaN 及其后的氮化鎵組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在氮化鋁層上生長(zhǎng)。在這層的基礎(chǔ)上搭建氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。隨后在這個(gè)具高阻抗性的氮化鎵厚層上生長(zhǎng)一薄層AlGaN。這個(gè)薄層使氮化鎵與AlGaN 層之間產(chǎn)生應(yīng)變介面。這個(gè)應(yīng)變介面加上氮化鎵固有的壓電性質(zhì)產(chǎn)生滿(mǎn)載大量高遷移率電子的二維電子氣 。下一步工藝是在柵極下方形成一個(gè)耗盡區(qū)。為了增強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能，可以用與導(dǎo)通n 溝道的增強(qiáng)型功率MOSFET 相同的方式，給柵極施加一個(gè)正向電壓，如圖四所示。額外金屬層可以把電子導(dǎo)向柵極、漏極及源極的端子(圖五顯示了這種結(jié)構(gòu)的橫截面)。這種結(jié)構(gòu)被重復(fù)多次而形成一個(gè)完整的功率器件，如圖六 所示。

圖四: 氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。

圖五：氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的掃描電子顯微鏡圖像。

圖六：氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的俯視圖。它的額定值為40 V、4 mΩ 及33 A。

總結(jié)

在技術(shù)文章系列的第一章，我們介紹了具備優(yōu)越性能的硅基氮化鎵功率器件可以替代現(xiàn)有的功率MOSFET器件。我們描述了兩種氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)，分別為耗盡型及增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸更小、開(kāi)關(guān)速度更快、容易使用、已經(jīng)用作商業(yè)用途及在不久的將來(lái)可以比硅器件的成本更低。下一章我們將討論功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所需的基本工具，以實(shí)現(xiàn)氮化鎵晶體管的卓越性能。