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
（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SiCMOSFET、沟槽型SiCMOSFET以及SiCJFET，
（d）、（e）均为GaNHEMT，
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GaNHEMT，
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，GaNLED（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70mΩ蓝宝石基GaNcascode器件，TO-247封装，
在50kHz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-PolarGaNHEMT）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/GaNHEMT）,
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/GaNHEMT，
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（fieldplates）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-safepowerapplications，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（InternationalRectifier，现属英飞凌）、
德州仪器（TexasInstruments）、PowerIntegrations，以及EPC、Transphorm（现属瑞萨）、Navitas等企业，均有布局，
日美欧洲之外，加拿大的GaNSystems、以色列的VisIC以及中国的英诺赛科，亦在此领域深耕，开辟不同细分市场。
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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SiMOSFET与GaNHEMT串联，通过SiMOSFET控制GaNHEMT沟道的开关，
SiMOSFET的源极，接GaNHEMT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SiMOSFET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
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如上，当前GaN器件的规模化应用主要由手机、笔记本电脑适配器等低功率应用引领，
GaN器件的核心优势在于高速开关特性，这是实现高频运行的关键，而高频运行又是缩小功率转换单元体积的必要条件。
而在服务器电源领域（尤其是数据中心用的AC-DC电源），功率等级通常较高，母线电压一般为400V或800V，GaN器件面临SiC器件的挑战，
SiC器件的优势包括，
1、高压能力稳定可靠，2、散热能力更优，3、供应链稳定，成本迅速下降，
而GaN器件的优势包括，
1、极低的开关损耗，适配高频需求，2、低压配电领域（200V以下）工艺与成本优势明显。
人工智能领域目前正经历爆发式增长，对供电链各环节（从电源到CPU内部、显卡与内存板的配电系统）的能效要求全面提升，
基于此，低压GaN器件的负载点（POL）应用正获得更多关注。
所谓负载点（POL，PointofLoad）应用，就是在用电设备（负载）附近，直接进行电源转换的技术，
通过靠近负载供电，避免长距离输电带来的损耗和电压波动，
POL模块将来自总线的较高电压（如48V,12V），精确转换为负载芯片所需的超低电压（如0.6V），同时实时响应负载的功率波动（如CPU算力变化带来的电流需求变化）。
而GaN器件凭借其极佳的开关特性，可构建出开关频率更高、瞬态响应更快的POL电源，以满足AI芯片瞬间爆发的算力要求。
另一应用趋势，是结合系统级封装（SIPs）技术，实现GaN芯片智能集成。
简单来说，就是在GaN芯片内部或同一封装中，集成某些附加功能，
比如，集成温度传感器，实时监测芯片温度，集成过流保护电路，以防器件短路烧毁，
传统GaN器件需要搭配外部复杂的控制电路（比如单独的传感器、保护芯片）才能稳定工作，设计门槛高、电路体积大，
实现智能集成后，用户拿到芯片直接可以用，不必再搭建控制和保护电路，相当于将原先的器件升级为“即插即用”版本。
（3）GaN单片集成BDS：
最后这部分，介绍GaN单片集成BDS，
横向GaN器件另一颠覆性优势在于——可通过将两个器件单片背靠背连接，构建高性能单片集成双向开关（BidirectionalSwitch，BDS）
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如上，横向GaNHEMT的源漏对称，以及不存在体二极管的特点，使其可以实现单片集成BDS，
本质上，就是两个器件背靠背连接，且共享一个漂移区。
Si和SiC器件无法实现这一点，既因其纵向结构，也因为体二极管的存在。
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如上，这种单片集成BDS方案可以明显降低芯片面积，
左图为分立式单向开关（DiscreteUnidirectionalSwitches，UDS）
如中间图所示，如果采用分立器件方案，总芯片面积增至4倍，
但如果采用单片集成BDS方案，总芯片面积仅为1.8倍，既可减小成本，又可显著降低栅电荷，实现更快的开关速度。
另外，单片集成减少了引线和焊盘，寄生电感也会更低。
以AC/DC电源转换为例，具体解释单片集成BDS的优势，
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上图为传统方案，该拓扑结构包含三级电路，整流+PFC+DC-AC逆变，元件多，且需要一个大而昂贵的DC-link电容。
而BDS方案可将拓扑简化为两级电路，如下，
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用一个由BDS构成的环型转换器替代前三级的全部功能，
初级侧，GaNBDS直接面对交流电网，利用其双向导通和耐压能力，将电网交流电转换为高频交流电。
次级侧连接负载，采用传统的GaN单向器件构成直流桥。
这种拓扑天然支持双向能量流动，既能作为充电器，也能作为DC/AC逆变器。
因此相比传统拓扑，该方案可以减少元件数量，尤其是省去了大体积的DC-link电容，且可以实现全谐振开关控制，从而提升能量收集效率。
小结：
1、材料：GaN器件的核心优势源于其卓越的材料特性，包括铝镓氮/氮化镓（AlGaN/GaN）异质结带来的高迁移率以及GaN材料较大的禁带宽度。
2、历史：1993年，Khan发明铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaNHEMT），2006年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，
3、结构：GaN器件产品为实现常关功能，主要有两种方案，p-GaN栅极堆叠，和共源共栅（cascode），横向GaN器件市场建立在硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术之上，因为Si衬底成本低、尺寸大，是规模化生产的自然选择，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。因为高压下，横向GaN器件的导电硅衬底使器件漏极和衬底之间容易发生击穿，但2022年瑞萨（Renesas）提供了一种方案，于蓝宝石衬底之上外延氮化镓（GaN-on-sapphire），可通过横向器件实现1200V耐压。
4、应用：GaN功率器件已广泛应用于消费电子，包括快速充电器（功率范围65W~250W）和电源设备（最高功率3.2kW），随着GaN器件在低压应用领域的普及，且在实际场景中证明了自身可靠性，业界正试图突破高压应用，包括能源收集、汽车、数据中心和人工智能等领域。
当前GaN器件的规模化应用主要由手机、笔记本电脑适配器等低功率应用引领，在服务器电源领域GaN器件与SiC器件产生竞争，在人工智能领域低压GaN器件的负载点（POL）应用正获得关注，另一新兴趋势是GaN芯片的智能集成。
5、应用：横向GaN器件另一颠覆性优势在于——可通过将两个器件单片背靠背连接，构建高性能单片集成BDS，该方案可显著降低芯片面积，实现更快的开关速度。
6、应用：GaN具有无与伦比的高速开关能力，但极快的开关速度也带来了诸如电磁干扰、振铃、过冲等挑战，如果无法妥善处理这些问题，为了稳定性而牺牲开关速度，就等于放弃了GaN器件的根本优势。
7、竞争：SiC和GaN是如今市场上的两种宽禁带器件解决方案，
前者在高压、高功率的工业应用（如新能源汽车主驱、工业电机）中处于领先，后者在中小功率的消费电子应用（如快充充电器）中表现出色。
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