GaN器件之全面介绍
今天这篇，从材料、历史、结构、应用和竞争五个方面，对GaN器件做一全面总结，4000字长文预警。
（1）GaN器件简介：
从器件结构看，GaN器件分为横向（Lateral）、纵向（Vertical）两种，
可以简单认为，横向器件的电流流动限于半导体材料表面，纵向器件的电流流动穿透整块半导体材料，
结果是，纵向器件的击穿电压更高，可应用于更高耐压级别。
目前商用GaN器件均为横向器件，纵向GaN器件基本仍处于实验室阶段。
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这是几种常见的SiC器件、GaN器件，
（a）、（b）、（c）依次为平面型SiC MOSFET、沟槽型SiC MOSFET以及SiC JFET，
（d）、（e）均为GaN HEMT，
注意5张图中的电极，SiC器件和GaN器件，G、D、S的位置，有重大差异，
三种SiC器件，漏极D在最下方，栅极G、源极S在最上方，
而两种GaN器件，G、D、S均在最上方，
简言之，横向器件的G、D、S均在最上方，纵向器件的G、S在最上方，D在最下方，这是核心差异。
具体到GaN器件，横向、纵向有何差异？
纵向GaN功率器件最早由加州大学圣塔芭芭拉分校于2002年实现，2008年制备出高压器件，目前日美研究机构正在积极推进该类器件的研发，
随着GaN衬底价格的下降，纵向GaN器件的应用场景将逐渐增多。
纵向GaN器件一大优势在于，器件内部电场分布更均匀，其工作电场强度更接近击穿电场理论极限。
传统观点认为，GaN器件欲进军1200V耐压市场，只能依靠纵向结构。
因为横向GaN器件市场建立在硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术之上，Si衬底成本低、尺寸大，是规模化生产的自然选择，
但在高压下，导电硅衬底使器件漏极和衬底之间容易发生击穿，从而限制横向GaN器件的耐压能力。
但2022年瑞萨（Renesas）提供了一种方案，可通过横向器件实现1200V耐压。
即，于蓝宝石衬底之上外延生长氮化镓材料（GaN-on-sapphire），制备GaN HEMT，
蓝宝石的绝缘特性消除了漏极与衬底之间的击穿问题，使其能实现1200V耐压，
另一巧妙之处在于，相比纵向器件，横向器件的芯片面积更大（因为要靠水平方向扩展的漂移区承担耐压），这本是横向器件的劣势，
但在GaN-on-sapphire中，这反而成为优势——大芯片面积可缓解蓝宝石高热阻率导致的散热困难问题。
GaN-on-sapphire方案保留了横向HEMT固有的二维电子气高迁移率，从而具有低存储电荷、高速开关之能力，
且蓝宝石的高电阻率特性，使该器件可以使用厚度更薄的III族氮化物缓冲层，外延成本因之降低。
至于蓝宝石衬底相关工艺，GaN LED（发光二极管）主要采用这种衬底，已有数十年产业链经验可供借鉴。
瑞萨已推出70 mΩ蓝宝石基GaN cascode器件，TO-247 封装，
在50 kHz工作频率下、900V转450V降压转换器中，器件效率超99%，极具竞争力。
此外，未来十年，N极性氮化镓高电子迁移率晶体管（N-Polar GaN HEMT）与超结技术（Superjunction），将推动横向GaN功率器件持续发展。
前者将器件的晶体取向从传统的Ga极性翻转为N极性，获得更优的电子控制能力,
后者则是对耐压层进行改进，以交替排列的N柱和P柱代替单一类型掺杂的耐压层。
横向GaN器件的发展不仅会与碳化硅（SiC）器件竞争，也将挑战氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）等超宽禁带半导体（UWBG）的市场地位。
（2）GaN器件历史回顾：
介绍完器件结构，再看发展历程，
1、第一阶段：1993~2007
1993年，Khan发明铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaN HEMT）,
1996年，加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）制备GaN微波功率器件，
这两项成果确立了GaN作为电力电子领域潜力材料的地位。
1999年，Nitres公司、康奈尔大学与Cree公司（现更名Wolfspeed）各自独立发明氮化硅钝化技术，用于控制电流崩塌效应。
此后，加州大学圣塔芭芭拉分校接连取得一系列技术突破：
2000年，研制千伏级AlGaN/GaN HEMT，
2001年，发明AlGaN/AlN/GaN结构设计，该设计如今广泛应用于多数HEMT，
2004年，发明场板（field plates）技术，用于抑制高压下的电流崩塌效应，目前已成为多数应用场景HEMT的标准配置，
2006年亦有两项关键发明：
加州大学圣塔芭芭拉分校研发出具备常关（normally-off）功能的p型栅器件，松下公司（Panasonic）推出栅注入晶体管（GIT），
这两项发明为GaN器件进入功率与射频（RF）市场奠定基础。
2、第二阶段：2007~2019
常关功能的实现至关重要，
业界所谓fail-safe power applications，直译“故障导向安全应用”，
大意是，任何单一故障发生时，系统必须自动进入安全状态（通常为关断/零功率输出），
常开型器件，0V驱动下处于导通状态，可能形成浪涌电流，导致系统失控，
常关型器件，栅极驱动失效时，器件自然关断，功率路径切断，符合安全原则。
因此，功率晶体管欲实现商业化，要求之一便是常关型。
2006年GaN器件实现常关功能后，商业化开始落地，
日本松下（Ueda团队）、富士通（Kikkawa团队，后与美国Transphorm合并），美国国际整流器公司（International Rectifier，现属英飞凌）、
德州仪器（Texas Instruments）、Power Integrations，以及 EPC、Transphorm（现属瑞萨）、Navitas等企业，均有布局，
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如今的GaN器件产品，为实现常关功能，主要有两种方案，
1、p-GaN栅极堆叠，
2、共源共栅结构（cascode），
如上，左图为cascode，右图为p-GaN堆叠，
简单解释原理，
cascode将Si MOSFET与GaN HEMT串联，通过Si MOSFET控制GaN HEMT沟道的开关，
Si MOSFET的源极，接GaN HEMT的栅极，
驱动电压为0，HEMT栅极通过Rg下拉至负电压，使得沟道关断，
驱动电压大于0，HEMT栅极被拉至Si MOSFET源极电位，沟道开启。
p-GaN栅极堆叠是在AlGaN之上，生长p型GaN（掺Mg），栅金属与p型GaN形成肖特基接触，
零栅压下，p型GaN的空穴与AlGaN/GaN界面的2DEG电子复合，降低沟道电子浓度，实现常关。
3、第三阶段：2020至今
