GaN HEMT 器件：结构与工作模式

在当今科技飞速发展的时代，电子器件的性能和应用范围不断拓展。GaN 半导体材料是由镓元素与氮元素组成的 Ⅲ - Ⅴ 族化合物半导体。在消费电子领域，尤其是快速充电器产品的成功商用，充分彰显了其成熟的市场地位和广阔的应用前景。

目前热门的 AI 崛起，极大地加速了数据中心向更高层次演进的需求。相较于传统硅基功率器件构建的电源系统，GaN 基电力电子系统在功率密度与体积效率方面具有显著优势。这种性能优势源于 GaN 材料固有的物理特性，其宽禁带特性赋予材料高临界击穿场强、优异的载流子输运特性以及高热导率特性。这使得 GaN 基器件在降低开关损耗与提升功率密度方面形成了明显的技术代差优势。以下图 1 展示了常见半导体参数，图 2 呈现了 GaN HEMT 器件结构以及 SiC MOSET 器件结构。

图 1 常见半导体材料参数

图 2 GaN HEMT 器件结构以及 SiC MOSET 器件结构

目前，氮化镓 HEMT 按照器件工作模式，可分为常开（耗尽型）和常关（增强型）两种方式，如下图 3 所示。在横向结构中，由 AlGaN/GaN 异质结组成的 GaN 异质结场效应晶体管 (HFET) 包含一层高迁移率电子 —— 二维电子气 (2DEG)，2DEG 在功率器件漏极和源极之间形成通道。

常开(耗尽型)：当栅源电压为零时，漏源极之间已存在2DEG通道，器件导通。当栅源电压小于零时，漏源极2DEG通道断开，器件截止。常关(增强型): 当栅源电压大于零时，漏源极之间2DEG通道形成，器件导通。常开(耗尽型)器件在启动过程中可能会出现过冲或失去功率控制，因此不适用于电源变换器等应用中。常关(增强型)器件通过简单的栅极驱动控制，在电力电子广泛应用。

图 3 GaN HEMT 器件类型

GaN HEMT 凭借其在高频、高功率密度和快速开关方面的优势，在 5G 基站、射频放大器和快速开关电源转换器等领域有着广泛应用。其中，e - GaN 适用于低压范围，而串一个硅 MOS 的 d - GaN（Cascode d - GaN）则在较高电压下工作。

随着科技的不断进步，GaN HEMT 的应用前景将更加广阔。不过，目前它也存在一些局限性。例如，衬底材料和 GaN 之间存在较大的晶格失配和热失配，外延层中往往存在大量的缺陷，使得 HEMT 器件中存在较强电流崩塌效应，影响器件的性能发挥。但随着技术的发展和创新，这些问题有望逐步得到解决。

GaN 基功率开关器件能实现优异的电能转换效率和工作频率，得益于平面型 AlGaN/GaN 异质结构中高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG）。未来，GaN HEMT 可能会在更多领域发挥关键作用，推动电子技术向更高水平迈进。无论是在通信、能源还是汽车电子等领域，我们都有理由期待 GaN HEMT 带来更多的惊喜和变革。