什么是硅基氮化鎵？

氮化鎵（GaN）是一種非常堅(jiān)硬且在機(jī)械方面非常穩(wěn)定的寬帶隙半導(dǎo)體材料。 由于具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)，更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，氮化鎵基功率器件明顯比硅基器件更優(yōu)越。 氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長(zhǎng)，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。 在硅上生長(zhǎng)GaN外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無需使用高成本的特定生產(chǎn)設(shè)施，而且以低成本采用大直徑的硅晶片。

氮化鎵用于制造半導(dǎo)體功率器件，也可以用于制造射頻元件和發(fā)光二極管（LED）。 氮化鎵技術(shù)展示出它可以在功率轉(zhuǎn)換、射頻及模擬應(yīng)用中，替代硅基半導(dǎo)體技術(shù)。

什么是高電子遷移率晶體管？

什么是高電子遷移率晶體管？HEMT）使用二維電子氣（2DEG），由不同帶隙的兩種材料之間的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。與等效硅基解決方案相比，氮化鎵基HEMT的開關(guān)更快、熱導(dǎo)率更高和導(dǎo)通電阻更低，從而允許在電路中采用氮化鎵晶體管和集成電路以提高效率、縮小尺寸并降低各種電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本。

在一百多年以前，當(dāng)電子時(shí)代露出曙光時(shí)，功率設(shè)計(jì)工程師一直努力尋求最理想的開關(guān) -- 支持快速、高效電源轉(zhuǎn)換的開關(guān)，能夠把原始電能轉(zhuǎn)換成受控、有用的流動(dòng)電子。首先出現(xiàn)的是真空管技術(shù)?？墒?，由于它產(chǎn)生大量的熱量，所以能效低，而且體積大和成本高昂，使得它的應(yīng)用受限。隨后在50年代，晶體管被廣泛地應(yīng)用，它的小尺寸及具備較高效率的優(yōu)勢(shì)，使得它成為行業(yè)的“圣物”（holy grail），以及很快地替代了真空管而同時(shí)推動(dòng)了龐大的、全新的市場(chǎng)發(fā)展，這是真空管技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)到的。

硅基晶體管及電子時(shí)代的來臨

硅材料很快便成為制造半導(dǎo)體晶體管的首選材料。這不獨(dú)是因?yàn)樗举|(zhì)上具備卓越的電氣特性，其生產(chǎn)成本也較真空管為低。此后，于70及80年代，硅基晶體管及隨后的集成電路均發(fā)展迅猛。摩爾定律的規(guī)律是晶體管的性能大約于18個(gè)月之間得以翻倍，而同時(shí)其制造成本也會(huì)降低，驅(qū)使行業(yè)得以推出具備更高性能及更低成本的全新產(chǎn)品，從而深受客戶歡迎。在功率轉(zhuǎn)換中，硅基功率MOSFET器件實(shí)踐了這個(gè)定律而成為硅基晶體管得以蓬勃發(fā)展的主要因素。

就像真空管技術(shù)一樣，硅基功率MOSFET一直以來的發(fā)展 – 實(shí)現(xiàn)更高的性能及更低的價(jià)格 - 已經(jīng)到了極限。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)一直要求具有極快速的開關(guān)、沒有電阻、更低的成本等優(yōu)勢(shì)的理想開關(guān)，而且可制造高性能功率轉(zhuǎn)換晶體管及集成電路的全新材料也推陳而出新。

氮化鎵半導(dǎo)體的快速發(fā)展

把電子性能提升至另一個(gè)更高的水平及使得摩爾定律復(fù)活的領(lǐng)先侯選原材料，就是氮化鎵材料。目前已經(jīng)被證實(shí)，與硅基器件相比，氮化鎵器件傳導(dǎo)電子的效率可以高出1000倍，而同時(shí)比硅基器件的制造成本較低。硅基器件的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了極限，而一種新興并具備較高性能的半導(dǎo)體材料正在冒起 - 氮化鎵材料。

幸運(yùn)的是，制造氮化鎵器件的成本比制造MOSFET器件的成本為低，這是由于我們?cè)谀壳坝脕碇圃靷鹘y(tǒng)硅基半導(dǎo)體的相同工廠中，采用制造硅器件的標(biāo)準(zhǔn)步驟來制造氮化鎵器件，從而使得具有相同性能的氮化鎵器件的體積可以細(xì)小很多。由于每個(gè)氮化鎵器件都比硅基器件細(xì)小很多，因此每塊晶圓可以產(chǎn)出更多的氮化鎵器件，這樣，與等效硅基器件相比，制造氮化鎵器件的成本就總是更低。當(dāng)?shù)壖夹g(shù)繼續(xù)得以提升時(shí)，它與硅基器件的成本差距，將進(jìn)一步擴(kuò)大。

氮化鎵器件如何工作？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導(dǎo)體，用于高效功率晶體管和集成電路。在GaN晶體的頂部生長(zhǎng)氮化鋁鎵（AlGaN）薄層并在界面施加應(yīng)力，從而產(chǎn)生二維電子氣（2DEG）。2DEG用于在電場(chǎng)作用下，高效地傳導(dǎo)電子。2DEG具有高導(dǎo)電性，部分原因是由于電子被困在界面處的非常細(xì)小的區(qū)域，從而將電子的遷移率從未施加應(yīng)力前約1000 平方厘米/ V·s，增加到2DEG區(qū)域中的1500至2000 平方厘米 / V·s。與硅基解決方案相比，氮化鎵晶體管及集成電路具有的高電子遷移率，可實(shí)現(xiàn)更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)、更高的導(dǎo)熱率和更低的導(dǎo)通電阻。

氮化鎵時(shí)代正在不斷邁步向前

氮化鎵材料推動(dòng)具備更高性能的晶體管及集成電路的出現(xiàn)，目前是勇于創(chuàng)新的功率設(shè)計(jì)工程師的最佳時(shí)機(jī)，于他們的設(shè)計(jì)中，發(fā)揮氮化鎵器件的各種優(yōu)勢(shì)，包括：

更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更低的傳導(dǎo)損耗

更快速開關(guān)的器件可以實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗

更小的電容在對(duì)器件進(jìn)行充電及放電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更低的損耗

需要更少的功率來驅(qū)動(dòng)電路

更細(xì)小的器件可以減小解決方案于印刷電路板上的占板面積

更低的成本

使用交互式產(chǎn)品參數(shù)和選型工具，可為您的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，找出最理想的、基于氮化鎵器件的解決方案。

來源： 矽源特科技，中恒科技

審核編輯 ：李倩