氮化镓增强型GaN晶体管结构简介

GaN 氮化镓晶体管（HEMT）的基本结构如下图1所示，以 GaN/AlGaN 异质结为主体，在AlGaN/ GaN的异质结界面处，由于氮化镓材料的自发极化效应与压电极化效应，形成了一层高电子浓度的导电通道——二维电子气（2DEG）；器件的最底层是衬底层(一般为Si材料，也有SiC或者GaN材料)，在其上外延生长出N型GaN缓冲层，外延生长的P型AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结。而在衬底层和势垒层之间一般还会加入缓冲层设计来改善晶体质量、降低缺陷密度、提升导电性能和器件可靠性。

图1. 氮化镓晶体管基本构造图

氮化镓晶体管可以简单划分为耗尽型（d‑mode，常导通）和增强型（e‑mode，常关断）两种。

在耗尽型氮化镓晶体管（图2a）中，栅极结构为带有介质层的绝缘金属栅，类似于 MOSFET 的栅极。当栅压为零时，栅下的 2DEG 处于导通状态，器件呈常导通。很显然，这样的器件不适用于高频开关的应用中。

因此，增强型氮化镓晶体管应运而生，一般的做法是先在栅极区域沉积或外延 p‑型 GaN。该 p‑GaN 与下方 AlGaN/GaN 结构形成异质结具有一定的内建电势，其大小超过了 2DEG 中由极化所诱导的电势，从而在零栅压下耗尽栅下的 2DEG，使器件转为常关断，并表现出正的栅极阈值电压。

而沉积在 p‑GaN 表面的栅极金属又可设计为两种类型的接触：

（1）与 p‑GaN 形成肖特基势垒的金属‑半导体肖特基接触（图2b），该器件称为“SG肖特基栅增强型 GaN 晶体管”；

（2）与 p‑GaN 形成低阻欧姆接触的金属‑半导体欧姆接触（图2c），该器件称为“栅极注入型晶体管”（GIT，亦称 p‑栅 GaN GIT）。前者通过肖特基势垒实现对沟道的栅控，后者则利用 p‑栅的载流子注入与结特性来调控栅下沟道，实现开通与关断。我们也可以简单把SG肖特基型氮化镓晶体管称之为电压型氮化镓晶体管，把GIT氮化镓晶体管称之为电流型氮化镓晶体管。

图2. GIT与SG型氮化镓晶体管内部结构示意图

肖特基栅器件和 GIT器件（Gate‑Injection Transistor，栅极注入晶体管），都属于增强型GaN 晶体管。目前这两种类型的氮化镓产品，英飞凌都可以提供。

由于GIT型氮化镓晶体管具有自钳位的栅极结构，可以简单理解为栅极自带一个VF值为3.5V左右的二极管，在保证器件寿命与全温度范围内，它都能承受重复的、未加限压钳位的正向 2 A 栅电流脉冲。这也就意味着，对于GIT氮化镓晶体管而言，栅极的正向耐压是没有上限的。相反向工况下，它的额定值-25V也是一个优秀的值，这种特殊栅极结构为GIT型氮化镓晶体管带来了较高的栅极可靠性，是其显著优势之一

除此以外，当其栅极采用欧姆接触并处于正向偏置时，会向器件结构中注入空穴。在来自栅极和 p‑GaN 混合漏极结构的空穴注入的共同作用下，二维电子隙中相邻层中被陷获的电子得到中和，极大优化了氮化镓动态R_DS(on)问题^[1]。这种由注入空穴引发的去俘获（detrapping）效应，可以保证其动态/静态 R_DS(on)的比值≤1.05。这是GIT型氮化镓器件的优势之二。静态R_DS(on)想必大家都很熟悉，那么什么是动态R_DS(on)呢？

一般而言，GaN 晶体管的数据手册给的是静态（直流）R_DS(on)，也就是在稳定导通、应力很小的条件下测得的导通电阻。而在真实电路里，器件在关断状态下会承受一定的漏源电压 Vds（drain‑source voltage），而且这个 Vds 的幅值和施加时间长短各不相同。在这种电压应力作用期间，器件结构中的缺陷/陷阱态可能会“俘获”电子，导致二维电子隙内的电子浓度降低，如下图3所示，结果体现为R_DS(on)的增大。当 把器件从关断切到导通时，这些被俘获的电荷会让器件的“有效导通电阻”（即导通后实际表现出来的 R_DS(on) 在刚开通的一小段时间内明显增大；随后随着陷阱放电/电荷再分布，R_DS(on) 又会逐步回落到较低的、接近于静态测试值的水平。因此，“动态 R_DS(on) ”这个术语指的就是开通后短时间内“有效 R_DS(on) 暂时升高”的这一现象^[2]。如下图4为一张静态 R_DS(on) 为85mΩ的硬开关条件测试中^[3]，在开通瞬间到稳定开通。在20V至80V的不同Vds开通电压下，R_DS(on) 都先增大后逐渐减小，最终回落至略高于静态 R_DS(on) 的数值，而这一数值/静态 R_DS(on) 的比值通常就是我们来用来判断该氮化镓晶体管 R_DS(on) 性能的重要指标数据，前文已经提到过，GIT型氮化镓晶体管在这一点上表现远好于其它电压型氮化镓晶体管。

图3. 二维电子隙2DEG示意图

图4. 硬开关动态R_DS(on)测试波形

动态 R_DS(on) 与氮化镓晶体管应用的环境温度及各种电应力息息相关，甚至可能在某些场合下会陷入正反馈的失稳^[3]，例如在高频的硬开关条件下，氮化镓晶体管 R_DS(on) 上升，导致其结温的升高，而温度的上升也会加剧动态 R_DS(on) 的效应，使得动态 R_DS(on) 增大，再进一步使得其结温继续升高。因此在设计选型时，设计者应该把氮化镓的这一特点纳入考量范围。