垂直GaN功率半导体技术 GaN-on-GaN 架构

在这一背景下，氮化镓（gan）作为一种新兴的宽禁带半导体材料，凭借其优异的电气特性，逐渐成为功率电子器件的研究热点。其中，垂直gan功率半导体技术以其独特的gan-on-gan架构，展现出更加优越的性能，为功率半导体的高效能和高频率应用开辟了新的可能。

gan材料的特点与优势

氮化镓是一种具有较宽禁带的半导体材料，宽禁带特性赋予了它较高的击穿电压及良好的热稳定性，使得其在高温和高功率环境下依然能够稳定工作。此外，gan材料的高电子迁移率和高饱和电子速度使得其可以在更高的频率下工作，这对于高频开关电源和射频功率放大器应用至关重要。

与传统的硅(si)材料相比较，氮化镓的导电性显著提高，能够降低导通损耗，提高整体能效。在电力转换效率的追求下，尤其是在电动汽车及高效led照明等领域，gan功率器件无疑成为了技术创新的重要推动力。

gan-on-gan架构的基本原理

gan-on-gan架构是指利用氮化镓材料本身进行器件的制造，即器件的基底、绝缘层和半导体层均采用氮化镓，而不是常见的gan-on-si或gan-on-sic等异质结构。

这种结构的优势在于：

1. 减少界面缺陷：在传统的gan-on-si或gan-on-sic结构中，由于不同材料间的晶格失配，会引发大量的缺陷。问题通过使用相同材料（gan）制成的器件可以大大减少界面败坏，进而提高器件的效能和可靠性。

2. 高导热性：氮化镓自身具备优良的热导性，这使得在。热管理问题一直是功率半导体制造中的一大挑战，gan-on-gan技术在这方面的表现优于许多传统架构。

3. 高击穿电压：gan材料具有更高的击穿电压，在高电压操作条件下，gan-on-gan器件表现出优异的电气特性，使其在高电压应用中具备优势。

4. 高功率密度：由于gan材料具有更低的导通电阻，gan-on-gan器件可以在较小的体积内实现更高的功率输出，这对于需要小型化和轻量化的应用场合尤为重要。

垂直型gan功率器件的设计与制造

垂直gan功率器件的基本设计理念是采用垂直结构，使得电流从顶部流向底部，通过栅极来控制耗散功率，从而实现高效开关。

在设计过程中，需要解决几个关键问题，包括栅极工艺、源极与漏极设计、以及热管理等。

1. 栅极设计：栅极是决定器件开关特性的关键。采用高质量的绝缘层和精确的栅极阴极布局，可以显著提高器件的开关速度和降低保持电压。

2. 源极与漏极设计：良好的源极和漏极设计可以有效降低接触电阻，提升能效。垂直结构的设计允许更短的导线和更高的电流承载能力。

3. 散热管理：在高功率密度应用中，热管理至关重要。采用高导热性材料和优化热沉设计可以有效降低器件工作温度，提升器件的可

应用前景

随着技术的不断进步，垂直gan功率半导体器件展现出良好的市场前景。在电动汽车快速充电系统中，gan器件可有效降低充电时间，提高系统效率；在数据中心和云计算领域，gan功率转换器则能够降低设施的能耗和运行成本；

此外，未来在5g通信、新能源发电等高科技领域也将有更广泛的应用。因此，在研发和制造gan-on-gan器件时，需要关注材料选择、器件设计和生产工艺等多方面的因素，从而进一步提升其性能和可靠性，使其在新兴应用中发挥更大的作用。