器件（三）：一文读懂GaN HEMT
一直想琢磨开关管的器件选型，但一直不知道从哪里下手。最近有幸获得了一些启发，就决定先从材料方面入手，好好聊聊不同材料开关管的器件选型。
概念
氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）是一种基于氮化镓（GaN）材料的高性能场效应晶体管。GaN HEMT因其独特的物理和电气特性，在高频、高功率和高温应用中表现出色。
原理
在拆解GaN HEMT时，我遇到的最大的困惑是：我感觉SiC MOSFET的性能已经很不错了，和硅比起来，又耐温又耐压导通电阻还小还支持高频，那我们到底为什么还要整出个GaN HEMT来？总不能是闲得慌吧。
在对比查证了多方资料以后，我发现，SiC之所以能应用在高频段，主要还是得益于它的Rdson够小，高频开关时发热不多；但实际上，SiC电子迁移率比硅低（大概是600-900 cm²/V·s，硅的是1350cm²/V·s）和2000cm²/V·s的GaN更是没法比，所以它的极限开关频率依然上不去，在类似于射频通信这种领域就显得捉襟见肘。此时，因为GaN/AIGaN异质结的高电子迁移率而可用于高频开关的GaN HEMT就进入了大家的视野。
GaN
氮化镓（GaN）是一种第三代半导体材料，具有一系列优异的物理和化学特性，包括宽禁带、高电子迁移率、高热导率等等，使其在多个领域有着广泛的应用。
关键特性
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宽禁带：氮化镓具有大约3.4电子伏特的宽带隙，这使得它能够在紫外光范围内工作，并在高温、高频和高功率的电子器件中表现出色。
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高电子迁移率：在特定条件下，氮化镓的电子迁移率可达2000 cm²/Vs，这有助于实现高效率的功率开关和射频功率放大器。
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高热导率：氮化镓的热导率为1.3W/cm-K，这有助于在大功率条件下工作时的散热。
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化学稳定性：在室温下，氮化镓不溶于水、酸和碱，展现出良好的化学稳定性。
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机械稳定性：氮化镓是一种非常坚硬的材料，具有优异的机械性质。
应用领域
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半导体照明：氮化镓是LED照明中的核心材料，尤其是在高亮度和长寿命的发光二极管中。
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电力电子器件：氮化镓的高电子迁移率和高热导率使其成为制造高效率功率开关和射频功率放大器的理想材料。
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激光器与探测器：氮化镓在激光二极管（LD）的制造中也有广泛应用，这些激光器可用于通信、激光打印、光储存等领域。
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柔性显示屏：氮化镓与石墨烯的结合可以制造出可弯曲的LED材料，这为柔性显示屏的发展提供了可能。
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无线充电系统：氮化镓技术也被用于开发无线充电系统，为移动设备提供更高效的充电方式。
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数据中心：氮化镓技术在数据中心的电源转换中发挥作用，提高能效并降低损耗。
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汽车电子：氮化镓技术显著提高了汽车电子的性能、效率和可靠性，推动了更先进和高效车辆的发展。
对比
如图是GaN和SiC、Si三种半导体之间的对比。
可以看出，GaN具有非常高的临界电场强度。前面我们讲过，SiC之所以能有低Rdson，就是因为它的临界电场强度大，使其漂移区能做的更薄，从而减小导通电阻。那这个理论在GaN上更是成立。在GaN HEMT中，由于其超高临界电场强度，它具有高功率密度，小体积，高集成度的特点，这也导致GaN HEMT的产品通常都是集成了多种功能的GaN驱动IC。
结构
这部分参考硕士论文《GaN功率器件短路保护芯片设计》
AlGaN/GaN异质结所形成的异质结场效应晶体管中，包含了一层高迁移率电子 ：二维电子气2DEG，该电子层在功率器件漏极和源极之间形成通道。
GaN HEMT分为常开型和常断型，常开型又称耗尽型，栅源间不加电压时HEMT开通，加负压时截至，容易过冲，因此很少用在电路中；常闭型又称增强型，栅源间不加电压时HEMT闭合，加正压时开通，用的比较多，二者的区别在于栅极所用是自发极化板（d-mode gate）还是压电极化板（e-mode gate）
二维电子气
虽然说使用起来不太需要了解这个咋回事，只知道它具有高电子迁移率就可以了，但我们还是分辨一下这东西到底咋回事，咋形成的，咋就它特殊，看看SiC能不能用类似的结构。
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晶格结构与极化电场：在AlGaN材料外延生长过程中，原子按照材料特有的晶格结构进行有序排列。当AlGaN和GaN形成异质结时，界面处会产生晶格失配和自发极化效应，进而产生一个从AlGaN指向材料表面的内置电场。
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电场强度与电离：随着生长过冲中AlGaN层厚度的增加，内置电场会逐渐增强，当电场强度超过某个特定阈值时，AlGaN材料中的原子被电离，释放出电子。
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2DEG的形成：电离产生的自由电子以及材料中原本存在的自由电子和负电荷表面态在电场的作用下被“推”到AlGaN/GaN异质结界面附近，聚集在靠近GaN一侧的异质结界面上，形成了高密度、高迁移率的二维电子气（2DEG）。
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动态平衡：随着2DEG浓度的不断增加，它会对内置电场产生屏蔽作用，导致极化电场强度逐渐减弱。最终，系统达到一个动态平衡状态，即2DEG的浓度和内置电场强度之间达到了一种稳定关系。这种平衡状态确保了2DEG的稳定存在，并为GaN HEMT器件的高性能工作提供了基础。
好，看完了二维电子气的形成过成，我们来看看为什么SiC/Si的异质结没办法形成这种结构。这主要是由于，SiC的自发极化效应比AlGaN的弱得多，SiC和Si这两种材料之间的晶格失配和极化效应不足以在界面上产生足够的内置电场来诱导2DEG的形成，因此，SiC/Si自然无法形成高电子迁移率晶体管HEMT，也就无法在高频领域替代GaN了。
GaN HEMT
HEMT的结构如图。
开关原理：
- 栅极电压改变，二维电子气通道中电子的厚度和密度随之改变；
- 施加的栅极电压反偏时，栅极下的电子往两边跑，形成耗尽层沟道，使得GaN HEMT具有一定的耐压性；
- 施加的栅极电压小于阈值电压时，处理层（即GaN缓冲层）将会耗尽栅极下方的 2DEG 载流子，此时器件关断，关闭状态时关断时由于仍有少量电子能连接漏源，器件缓冲层会有漏电流流过器件；
- 施加的栅极电压值高于阈值电压时，栅极下方耗尽的 2DEG 会增加并形成沟道（电子往电场施加的反方向跑）进而使得器件导通。
结构特性
GaN HEMT的结构特性主要和二维电子气有关，它有几个特点：
- 导通电阻Rdson更小：可以看到，由于借助的是二维电子气而非载流子导电，因此两端加同样电压时，电子跑起来的阻碍和束缚会更小些，这也意味着它的导通电阻更小。
- 输出电容Cds更小：在开关过程中，器件的电荷存储和释放速度更快，导致Cds更小，进而提高了开关频率，减小了开关损耗。
- 栅极电容Cgs更小：GaN 器件的栅极电容通常较小，在栅极驱动过程中所需的电荷量减少，加快了开关速度，提高了系统的整体效率
- 没有反向恢复电荷：GaN HEMT靠二维电子气导电，没有PN结结构，不具备体二极管特性 ,自然不 存在反向恢复电荷。这个特性会减小开关损耗、提高开关速度、降低电磁干扰、减少寄生反应，降低电压尖峰，这使其在信号传递的过程中能尽量减小信号失真，让GaN HEMT适用于对信号精确度要求较高、高频传输的领域（如射频雷达）
这里我们可以对比一下SiC MOSFET和GaN HEMT的动态结构，它们的结构分别如图所示：
从图中可以看出，GaN HEMT没有反向恢复二极管，寄生电容和电阻也比SiC MOSFET小，因此在动态特性上较好。
然而，GaN HEMT自然也有它的局限性。
其一，由于结构上没有像SiC那样的长漂移区，反向电场较小，它的耐压大部分靠自己的临界电场强度和带隙能量在撑着。加上还存在较多的结构缺陷（比SiC MOSFET多）导致其耐压能力不如SiC MOSFET；
其二，可以看到，GaN的热导率较SiC低，加上GaN HEMT高集成度的特性，对器件的散热提出了很高的要求。因此，通常情况下GaN HEMT两端很少加大电压，更很少工作在高温环境中。
应用
这一部分参考德州仪器的《提高GaN器件电源转换器效率和密度的设计注意事项》
通常情况下，增强型GaN HEMT的工作模式与MOS管类似，工艺简单，性能还好，但它有一个致命的问题就在于栅极电压。它栅极上的完全开通电压（即能使器件完全导通的栅极电压）和击穿电压（即会导致器件击穿的栅极电压）相差仅为1V，安全裕度过小，容易导致故障，因此我们把目光转向耗尽型GaN HEMT。
然而，根据GaN HEMT的结构可以看出，在加电和其他异常工作条件下，耗尽型GaN HEMT为常开型器件，还需要给栅极加负压，这就比较麻烦。
为了解决这个问题，业内将耗尽型GaN HEMT与共源共栅d-GaN（耗尽型GaN HEMT）结构中的低压硅MOS串联连接，HEMT的栅极短接到MOS的源极，HEMT的源极连接到 MOSFET的漏极，以此通过控制MOS的源极电压控制GaN HEMT的通断。
当然了，串个MOS管对于GaN HEMT的性能必然会有影响。比如，原本没有的反向恢复二极管现在有了，两个器件不平衡的寄生电容和寄生电感也会导致延迟和震荡，甚至引起Si MOSFET在开关期间出现雪崩击穿，此外还会增加导通电阻。
因此，综上所述，GaN HEMT通常用于高频、高功率密度和快速开关应用，如5G基站、射频放大器和快速开关电源转换器。而在这其中，e-GaN在低压范围工作，串一个硅MOS的d-GaN，即Cascode（共源共栅）d-GaN工作在较高的电压下。