窒化ガリウム(GAN)とは

窒化ガリウムは、ガリウム（原子番号31）と窒素（原子番号7）から構成される化合物です。安定した六方晶系の結晶構造を持つワイドバンドギャップ半導体材料です。禁制帯とは電子が核軌道から抜け出すのに必要なエネルギーのことで、窒化ガリウムの禁制帯幅は3.4eVとシリコンの3倍以上であり、ワイドバンドギャップ（WBG）特性を持っています。

GAN の材料特性

GANはSiと比較して、バンドギャップが大きく、破壊電界強度が高く、電子移動度が高く、電子飽和ドリフト速度が高いという特徴を持っています。

バンドギャップ幅: 半導体のバンドギャップ幅は、格子原子間の化学結合の強さに関係します。化学結合が強いということは、電子がある位置から次の位置にジャンプするのがより困難であることを意味するため、より大きなバンドギャップ幅を持つ半導体材料のバンドギャップ幅は低くなります。固有の漏れ電流とより高い動作温度により、

臨界電界強度: 化学結合が強くなるとバンドギャップが大きくなり、アバランシェ降伏を引き起こすときの臨界破壊電界も高くなります。

電子移動度: GaN の破壊電界強度は Si の 10 倍、電子移動度は Si の約 1.5 倍であり、オン抵抗 Rdson を効果的に低減できます。言い換えれば、同じオン抵抗 Rdson の場合、GaN チップ面積は小さくなり、デバイスの寄生パラメータを低減するのに有利になります。

電子飽和ドリフト速度: 電子飽和ドリフト速度は、電界が増加するにつれて全体の電子ドリフト速度が到達できる上限を表し、デバイスの動作周波数に重要な影響を与えます。 GaN の電子飽和ドリフト速度は Si の 2.5 倍であり、デバイスの動作周波数を大幅に向上させることができます。

GANトランジスタの基本構造

構造的に言えば、GAN デバイスは主に横型構造で、下から上に基板、バッファ層、GaN エピタキシー層、AlGaN バリア層に分かれています。 AlGaN バリア層と GaN エピタキシャル層の間の界面で分極効果が発生し、GaN 内に二次元電子ガス (2DEG) と呼ばれる電子の層が形成されます。 2DEG は自然導電チャネルとして、GaN HEMT をノーマリーオープンに保ち、空乏モード (D モード) デバイスです。

パワー エレクトロニクス コンバーターで D モード デバイスを使用する場合、G と S の間に負電圧シャットダウン デバイスを追加する必要があります。これにより、駆動回路が複雑になり、デバイスのシュートスルーという隠れた危険性も生じます。この問題に対処するために、業界では通常 2 つの解決策があります。2 つはカスコード構造を使用することであり、もう XNUMX つは、図に示すように、ゲートに P 型窒化ガリウムを追加してエンハンスメント モード (ノーマリ クローズ) トランジスタを形成することです。下図. カスケード接続されたノーマリーオフデバイスは、エンハンスメントモードの SI FET とデプレッションモードの GAN を直列に接続したもので、ゲートレベルのドライバーは GAN の代わりに低電圧 MOS に直接接続されています。 P-GaN プロセス構造のエンハンスメント モード トランジスタを使用し、GaN ゲートの下に PGaN 層を配置します。 PGaN により、ゲートの下の GaN エピタキシャル層に空乏領域が形成され、XNUMXDEG がブロックされます。Vgs の電圧が徐々に上昇すると、ゲート下の XNUMXDEG が徐々に回復し、チャネルが流すことができる電流 Ids が大きくなります。Ids が規定の値に達したとき、対応する Vgs をしきい値電圧 Vth と呼びます。

GaNトランジスタの電気的特性

GaN MOSFET と Si MOSFET では、材料特性やデバイス構造の違いにより電気特性が異なりますので、以下に GAN と SI の比較データを示します。

1)：耐圧特性

落雷、起動、負荷の切り替えなどの偶発的なイベントにより、デバイスの Vds 過電圧が発生する可能性がありますが、実際のテストでは、GaN は SI よりも高い電圧に耐えることができます。

2): スイッチング速度

スイッチング速度は主に Ciss (Ciss=Cgs+Cgd) に影響されます。 Ciss が大きいほど、Vgs の変化が遅くなり、スイッチング速度が遅くなります。同様の仕様のGaNとSi MOSFETを比較すると、そのCissはSi MOSFETの1/10未満です。接合容量の低減は、スイッチング速度の向上、損失の低減、高周波動作の可能化に有益です。テスト後、GaN の伝導速度は大幅に速くなり、Vds と Id のオーバーラップ時間が効果的に短縮され、スイッチング損失が減少しました。デバイスの高周波動作により、回路内のインダクタ、トランス、コンデンサのサイズを効果的に縮小でき、電力密度が大幅に向上します。

3): 走行特性

   GaN HEMTの駆動レベルはSi MOSFETの駆動レベルとは異なります。製品仕様では、ゲートが損傷しないように Vgs レベルの範囲を指定しています。さらに、Vgs はデバイスのチャネル開口度を決定します。出力特性曲線から、Vgs が大きいほどチャネルがより完全に開き、デバイスの電流容量が強くなることがわかります。

4)：逆特性

   Si MOSFET はボディ ダイオードに依存して逆導通を実現します。ダイオードが順方向に導通してから逆方向に遮断されるまでの過程で、電荷蓄積効果により逆方向に電流が流れます。これをダイオードの逆回復といいます。このプロセスは追加の損失とノイズをもたらし、回路効率の向上と EMI 設計を妨げます。 GaN HEMT にはボディ ダイオードがなく、独自のチャネルを利用して逆導通を実現するため、逆回復によって引き起こされる問題を回避できます。