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陳杰
擼起袖子加油“GaN”
GaN 氮化鎵晶體管（HEMT）的基本結構如下圖1所示，以 GaN/AlGaN 異質結為主體，在AlGaN/ GaN的異質結界面處，由于氮化鎵材料的自發極化效應與壓電極化效應，形成了一層高電子濃度的導電通道——二維電子氣（2DEG）；器件的最底層是襯底層(一般為Si材料，也有SiC或者GaN材料)，在其上外延生長出N型GaN緩沖層，外延生長的P型AlGaN勢壘層，形成AlGaN/GaN異質結。而在襯底層和勢壘層之間一般還會加入緩沖層設計來改善晶體質量、降低缺陷密度、提升導電性能和器件可靠性。
圖1. 氮化鎵晶體管基本構造圖
氮化鎵晶體管可以簡單劃分為耗盡型（d?mode，常導通）和增強型（e?mode，常關斷）兩種。
在耗盡型氮化鎵晶體管（圖2a）中，柵極結構為帶有介質層的絕緣金屬柵，類似于 MOSFET 的柵極。當柵壓為零時，柵下的 2DEG 處于導通狀態，器件呈常導通。很顯然，這樣的器件不適用于高頻開關電源的應用中。
因此，增強型氮化鎵晶體管應運而生，一般的做法是先在柵極區域沉積或外延 p?型 GaN。該 p?GaN 與下方 AlGaN/GaN 結構形成異質結具有一定的內建電勢，其大小超過了 2DEG 中由極化所誘導的電勢，從而在零柵壓下耗盡柵下的 2DEG，使器件轉為常關斷，并表現出正的柵極閾值電壓。
而沉積在 p?GaN 表面的柵極金屬又可設計為兩種類型的接觸：
（1）與 p?GaN 形成肖特基勢壘的金屬?半導體肖特基接觸（圖2b），該器件稱為“SG肖特基柵增強型 GaN 晶體管”；
（2）與 p?GaN 形成低阻歐姆接觸的金屬?半導體歐姆接觸（圖2c），該器件稱為“柵極注入型晶體管”（GIT，亦稱 p?柵 GaN GIT）。前者通過肖特基勢壘實現對溝道的柵控，后者則利用 p?柵的載流子注入與結特性來調控柵下溝道，實現開通與關斷。我們也可以簡單把SG肖特基型氮化鎵晶體管稱之為電壓型氮化鎵晶體管，把GIT氮化鎵晶體管稱之為電流型氮化鎵晶體管。
圖2. GIT與SG型氮化鎵晶體管內部結構示意圖
肖特基柵器件和 GIT器件（Gate?Injection Transistor，柵極注入晶體管），都屬于增強型GaN 晶體管。目前這兩種類型的氮化鎵產品，英飛凌都可以提供。
由于GIT型氮化鎵晶體管具有自鉗位的柵極結構，可以簡單理解為柵極自帶一個VF值為3.5V左右的二極管，在保證器件壽命與全溫度范圍內，它都能承受重復的、未加限壓鉗位的正向 2 A 柵電流脈沖。這也就意味著，對于GIT氮化鎵晶體管而言，柵極的正向耐壓是沒有上限的。相反向工況下，它的pluse值-25V也是一個優秀的值，這種特殊柵極結構為GIT型氮化鎵晶體管帶來了較高的柵極可靠性，是其顯著優勢之一。
除此以外，當其柵極采用歐姆接觸并處于正向偏置時，會向器件結構中注入空穴。在來自柵極和 p?GaN 混合漏極結構的空穴注入的共同作用下，二維電子隙中相鄰層中被陷獲的電子得到中和，極大優化了氮化鎵動態RDS(on)問題[1]。這種由注入空穴引發的去俘獲（detrapping）效應，可以保證其動態/靜態 RDS(on)的比值≤1.05。這是GIT型氮化鎵器件的優勢之二。靜態RDS(on)想必大家都很熟悉，那么什么是動態RDS(on)呢？
動態RDS(on)的定義
一般而言，GaN 晶體管的數據手冊給的是靜態（直流）RDS(on)，也就是在穩定導通、應力很小的條件下測得的導通電阻。而在真實電路里，器件在關斷狀態下會承受一定的漏源電壓 Vds（drain?source voltage），而且這個 Vds 的幅值和施加時間長短各不相同。在這種電壓應力作用期間，器件結構中的缺陷/陷阱態可能會“俘獲”電子，導致二維電子隙內的電子濃度降低，如下圖3所示，結果體現為RDS(on)的增大。當 把器件從關斷切到導通時，這些被俘獲的電荷會讓器件的“有效導通電阻”（即導通后實際表現出來的 RDS(on) 在剛開通的一小段時間內明顯增大；隨后隨著陷阱放電/電荷再分布，RDS(on) 又會逐步回落到較低的、接近于靜態測試值的水平。因此，“動態 RDS(on) ”這個術語指的就是開通后短時間內“有效 RDS(on) 暫時升高”的這一現象[2]。如下圖4為一張靜態 RDS(on) 為85mΩ的硬開關條件測試中[3]，在開通瞬間到穩定開通。在20V至80V的不同Vds開通電壓下，RDS(on) 都先增大后逐漸減小，最終回落至略高于靜態 RDS(on) 的數值，而這一數值/靜態 RDS(on) 的比值通常就是我們來用來判斷該氮化鎵晶體管 RDS(on) 性能的重要指標數據，前文已經提到過，GIT型氮化鎵晶體管在這一點上表現遠好于其它電壓型氮化鎵晶體管。
圖3. 二維電子隙2DEG示意圖
圖4. 硬開關動態RDS(on)測試波形
動態 RDS(on) 與氮化鎵晶體管應用的環境溫度及各種電應力息息相關，甚至可能在某些場合下會陷入正反饋的失穩[3]，例如在高頻的硬開關條件下，氮化鎵晶體管 RDS(on) 上升，導致其結溫的升高，而溫度的上升也會加劇動態 RDS(on) 的效應，使得動態 RDS(on) 增大，再進一步使得其結溫繼續升高。因此在設計選型時，設計者應該把氮化鎵的這一特點納入考量范圍。
最后，如下是英飛凌氮化鎵產品的矩陣圖，涵蓋了從低壓到高壓，不同封裝的產品，包括氮化鎵晶體管，氮化鎵雙向開關，帶驅動器的氮化鎵晶體管，氮化鎵半橋等等，大家如有設計需要和技術問題，歡迎聯系我們。
參考文獻
[1] Novel GIT Structure Solves Current Collapse in GaN Power HEMTs
[2] E?mode and D?mode GaN power transistors: real?world performance compared to theory,” White Paper, Infineon Technologies Americas Corp., [Year]. [Online]. Available: [URL]. [Accessed: Feb. 10, 2026].
[3] 楊金淮. 增強型 GaN HEMT 的基本特性及其可靠性[D]. 電子科技大學, 2025
