氮化镓（GaN）的时代已经到来，其为何成为功率市场的 “ 新宠儿 ” ？

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料及器件，已成为军民两大领域必不可少的战略物资，是各国竞相发展的战略制高点，正在向高能效、高功率、高耐压、高频率、耐高温、高集成度、小型化、多功能化等方向发展。可以说，第三代半导体将是未来半导体技术的关键。

据TrendForce集邦咨询研究预测：第三代功率半导体产值将从 2021 年的 9.8 亿美元增长至 2025 年的 47.1 亿美元，年复合增长率（CAGR）为48% 。作为目前最具发展潜力的材料，氮化镓（GaN）的主要应用场景为电动汽车（EV）和快充电池市场。

氮化镓是什么呢？为何潜力如此之大？

氮化镓顾名思义是由氮和镓组成的一种半导体材料，由于其禁带宽度大于2.2eV, 因此又被称为宽禁带半导体材料。

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在几种关键特性方面，GaN展现出了更好的性能优势，主要分为以下四点：

宽禁带使材料能够承受更高温度和更大的电场强度。器件在工作温度上升时， 本征激发的载流子浓度也不会很高， 因此能够应用到更高温度的特殊环境下。

GaN本身的击穿场强为3.3E+06,约是Si的11倍，同样耐压条件下，GaN耗尽区展宽长度可以缩减至Si的0.1倍，大大降低了漂移区电阻率，以获得更低的Ron和更高的功率性能。

半导体器件多数是利用电子作为载流子实现电流的传输。高电子饱和漂移速率可以保证半导体器件工作在高电场材料仍然能保持高的迁移率，进而有大的电流密度，这是器件获得大的功率输出密度的关键所在，这也是GaN材料最明显优势所在。

可以看到，表格中GaN的电子迁移率并不高，为什么称之为高电子迁移率晶体管呢？

原因在于GaN&AlGaN因为材料特性在界面感应形成的二维电子气（2DEG）, 2DEG在2-4nm薄薄的一层中存在且被约束在很小的范围，这种限域性使得电子迁移率增加到1500~2000cm²/（V·s），目前技术已经使电子迁移率达到2200 cm²/（V·s）。

GaN和Si的热导率基本差异不大，但是GaN可以比Si能拥有更高的结温。因此，良好的热导率加上更高的热耐受力共同提升了器件的使用寿命和可靠性。

值得一提的是，GaN器件优越性能也与其器件结构有极大的关系。目前，产业化的GaN器件以P-GaN方式的增强型和共源共栅两种结构为主。

GaN的两种结构

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从GaN晶体管的DC参数可以看到，其在直流参数上没有反向二极管（0 Reverse Recovery），主要原因在于GaN晶体管没有SJ MOSFET的寄生PN结。此外，两者在直流参数以及Vth等也有着不小的区别，同规格情况下，GaN晶体管比SJMOS有着更小的饱和电流以及更高的BV值，这也是受限于其芯片面积和无雪崩能力的特殊特性；同时更低的驱动电压和栅极电荷Qg，造就了其高频低损的优良开关特性。

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SJ MOSFET的电容在50V内非线性特征明显，同时整体的电容值要比GaN器件大很多（结电容是GaN的3倍）。这是因为二维电耦合型的SJ器件虽比平面MOS拥有着更小的器件面积，但由于其依靠PN结的横向耗尽来实现抗耐压，所以PN结的接触面积要大很多。在器件D-S间电压较低时，PN结内建电场形成的接触面造成了其初始Coss&Crss等参数要比D-S高电压状态大几个量级；同时器件从不完全耗尽到全耗尽状态，器件空间电荷区展宽，导致了CGD和CDS在电容曲线上出现突变点。这种电场在很窄电压范围的突变，也恰恰影响着工程师们关注的EMI问题，如何去优化使其曲线变缓成为多家设计公司的特色工艺。

硅器件Cgd突变

然而，GaN的出现却轻松地解决了硅器件Cdg突变的问题，其电容曲线变化在一个相对较小的范围，且不存在突变，因此在电源应用的EMI调试过程，效果优于SJ MOSFET。接近线性的Coss,使得应用开关过程dv/dt的波形更接近一个没有弧度的斜线，让其变得优雅。

GaN反激Vds开关上升沿

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较低的结电容也使得器件的能量等效电容(Coer)和Eoss远小于同规格SJ MOS器件，使得电源在硬开关过程中的容性损耗大大减小，能够显著减少器件发热。与此同时，在电源软开关过程中达到ZVS所抽取的结电容电荷更少，使得系统拥有更高的开关频率和更小的死区时间，进一步的减小系统体积。

毋庸置疑，GaN 的种种优势使得其正在向更多的应用领域渗透，而工业 4.0 和新基建极有可能会成为 GaN 的封神之路。