什么是氮化鎵技術(shù)指標(biāo)體系分解

　　小編在這里給大家分享一下什么是氮化鎵技術(shù)指標(biāo)？什么是氮化鎵技術(shù)指標(biāo)體系？

　　以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體，具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，其中氮化鎵是一種寬能隙材料，它具備與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢，氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢，GaN材料是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿?zé)狳c(diǎn)；這里我們著重解釋什么是氮化鎵技術(shù)指標(biāo)體系。

　　氮化鎵特性

　　GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護(hù)材料。

　　化學(xué)特性

　　在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。

　　結(jié)構(gòu)特性

　　GaN的晶體結(jié)構(gòu)主要有兩種，分別是纖鋅礦結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)。

　　電學(xué)特性

　　GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)?。很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相應(yīng)的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4 ×1016/cm3、《1016/cm3；等離子激活MBE的結(jié)果為8×103/cm3、《1017/cm3。未摻雜載流子濃度可控制在1014～1020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在1011～1020/cm3范圍。

　　光學(xué)特性

　　人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍(lán)光和紫光發(fā)射器件上的應(yīng)用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關(guān)系，Pankove等人估算了一個帶隙溫度系數(shù)的經(jīng)驗公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503+（5.08×10－4T2）/（T－996）eV。

　　最后我們再回顧一下GaN優(yōu)點(diǎn)

　?、俳麕挾却螅?.4eV），熱導(dǎo)率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)；

　?、趯?dǎo)帶底在Γ點(diǎn)，而且與導(dǎo)帶的其他能谷之間能量差大，則不易產(chǎn)生谷間散射，從而能得到很高的強(qiáng)場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；

　　③GaN易與AlN、InN等構(gòu)成混晶，能制成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了低溫下遷移率達(dá)到105cm2/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學(xué)聲子散射、電離雜質(zhì)散射和壓電散射等因素）；

　　④晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)或四方亞穩(wěn)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)），具有很強(qiáng)的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發(fā)極化）：在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生很強(qiáng)的壓電極化（極化電場達(dá)2MV/cm）和自發(fā)極化（極化電場達(dá)3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強(qiáng)烈調(diào)制了異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了對2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中可達(dá)到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中的高一個數(shù)量級），這對器件工作很有意義。

　　氮化鎵技術(shù)指標(biāo)體系

　　目前已經(jīng)有一些現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)大家可以作為氮化鎵技術(shù)指標(biāo)體系的參考：

　　對于整個技術(shù)指標(biāo)特性；如果從應(yīng)用的角度來說，需要在晶體管速度、電流能力、擊穿電壓、效率和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡：

　　我們來看個Qorvo 的例子：

　　為滿足不同 GaN 應(yīng)用的需求，制造商 提供了頻率和功率水平范圍廣泛的多種工藝技術(shù)。有了多個 GaN 工藝可供 選擇，電路設(shè)計人員可以將特定的 GaN 工藝技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行最優(yōu)匹配，從 而簡化并加快設(shè)計。圖 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工藝技術(shù)，這些技 術(shù)旨在適應(yīng)多個市場領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

　　圖 2-3 ：AB 類性能的 Qorvo GaN 工藝技術(shù)選項。

　　例如，功率非常高的應(yīng)用（如工作頻率為 2 GHz 的 1 kW 晶體管）將受益于具有較高擊穿電壓的 GaN 工藝，因為它提高了工作電壓和射頻功率密度。工作電壓的提高也會提高輸出效率。這是提高接入電阻和降低晶體管速度之間的權(quán)衡。Qorov GaN50 工藝能夠在 65 V 的電壓條件下運(yùn)行，同時也具有這些優(yōu)勢。

　　毫米波功率放大器 （PA） 應(yīng)用（如工作頻率為 30 GHz 的 20 W MMIC）要求使用能夠在高頻率條件下提供較高增益的高速器件。器件設(shè)計的權(quán)衡將有利于縮短柵極長度，最小化接入電阻，以及最大限度地提高電流容量。從而可以降低擊穿電壓和功率密度。Qorov GaN15 工藝能夠在最高 28 V 的電壓條件下運(yùn)行，同時也具有這些優(yōu)勢。

　　在這兩個示例中，GaN 器件提供了比其他技術(shù)更高的工作電壓，從而展示了該技術(shù)固有的速度和電壓優(yōu)勢。較高工作電壓的優(yōu)勢不僅僅局限于 PA 電路，它還可以為整個系統(tǒng)帶來好處。

　　例如 ：相位陣天線系統(tǒng)（GaN PA 的常見應(yīng)用）可能需要數(shù)百或數(shù)千個單獨(dú)的功率放大器。

　　這些天線陣列系統(tǒng)中的直流配電一直都是一大難題，因為電源會占據(jù)空間，增加重量，并引起直流電源損耗。但 GaN 具有較高的工作電壓，可實現(xiàn)更低的直流電流和出色的尺寸、重量、功率和成本 （SWaP-C） 性能，以應(yīng)對這些系統(tǒng)所面臨的直流配電挑戰(zhàn)。

　　我們再來談?wù)劦壖夹g(shù)指標(biāo)--可靠性

　　因為GaN 器件被用于可靠性要求最嚴(yán)苛且最具挑戰(zhàn)性的各種應(yīng)用，包括任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)和航空應(yīng)用。GaN 的可靠性和穩(wěn)定性超越了晶體管和 MMIC 工藝。

　　碳化硅基氮化鎵在射頻應(yīng)用中脫穎而出的原因如下：

　　1

　　高擊穿電場：

　　由于氮化鎵擁有大能隙，因此氮化鎵材料也擁有高擊穿電場，所以氮化鎵器件的工作電壓可以遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體器件。當(dāng)受到足夠高的電場影響時，半導(dǎo)體中的電子能夠獲得足夠動能并脫離化學(xué)鍵（這一過程被稱為“碰撞電離”或“電壓擊穿”）。如果碰撞電離沒有得到控制，則能夠造成器件性能退化。由于氮化鎵能夠在較高電壓下工作，因此能夠用于較高功率的應(yīng)用。

　　2

　　高飽和速度：

　　氮化鎵的電子擁有高飽和速度（非常高的電場下的電子速度）。當(dāng)結(jié)合大電荷能力時，這意味著氮化鎵器件能夠提供高得多的電流密度。

　　射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積，所以，電壓越高，電流密度越大，在實際尺寸的晶體管中產(chǎn)生的射頻功率越大。簡單而言，氮化鎵器件產(chǎn)生的功率密度要高得多。

　　3

　　突出的熱屬性：

　　碳化硅基氮化鎵表現(xiàn)出不同一般的熱屬性，這主要因為碳化硅的高導(dǎo)熱。具體而言，這意味著在功率相同的情況下，碳化硅基氮化鎵器件的溫度不會變得像砷化鎵器件或硅器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。

　　GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)，而載流子濃度直接決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

　　隨著第三代寬禁帶材料半導(dǎo)體迅速發(fā)展，GaN功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用規(guī)模開始持續(xù)增長。相對于硅襯底，寬禁帶材料半導(dǎo)體具有更大的禁帶寬度，在單位尺寸上能獲得更高的器件耐壓，以寬禁帶材料為襯底制作的功率半導(dǎo)體器件尺寸更小，在特定應(yīng)用場景具有優(yōu)勢。

　　在2023年初，Transphorm在改變客戶評估GaN FET選項方面又向前邁出了一步。Transphorm將其可靠性數(shù)據(jù)分為兩類：

　　低功率：用于功率級別≤ 500W的應(yīng)用中的GaN器件

　　高功率：用于功率級別》 500W的應(yīng)用中的GaN器件

　　如果按功率級別類型來考察器件性能，Transphorm旗下GaN FET的可靠性指標(biāo)如下，這些指標(biāo)與硅基功率器件極為相近：

　　低功率：0.06 FIT

　　高功率：0.19 FIT

　　我們再來看看Transphorm指標(biāo)體系案例

　　Transphorm公司目前已經(jīng)向市場推出了兩款900伏 GaN FET，產(chǎn)品代碼分別為TP90H180PS和TP90H050WS。關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)見下表：

　　兩款900V FET均屬于常閉型器件，通過更低的柵極電荷、更快的切換速度和更小的反向恢復(fù)電荷，提供更高的效率，明顯超越傳統(tǒng)硅 （Si） 器件，具有顯著優(yōu)勢。 TP90H050WS采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3引線TO-247封裝，TP90H180PS采用TO-220封裝，GSD 引腳布局具有設(shè)計的便捷性。 Transphorm的900V GaN FET與現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動器兼容，易于設(shè)計，適用于LED照明、光伏逆變器、和以及各類650伏器件無法勝任的、需要更高直流母線電壓的三相工業(yè)電源應(yīng)用。 這兩款器件均獲有JEDEC認(rèn)證。

　　Transphorm 900V GaN FET的評估套件使用3.5千瓦DC-AC逆變器，產(chǎn)品代碼為TDINV3500P100。該逆變器工作頻率為100kHz，輸入直流電壓區(qū)間為350伏到720伏，輸出電壓為240伏交流電。

　　Transphorm 900伏GaN FET評估板TDINV3500P100及設(shè)置參數(shù)

　　? 這兩款900V GaN FET的典型性能曲線如下：

TP90H050WS的典型性能曲線(效率% ,vs. 輸出功率W) ? ?

TP90H180PS的典型性能曲線(效率% ,vs. 輸出功率W)

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