氮化鎵半導(dǎo)體的興起！

什么是硅基氮化鎵？

氮化鎵（GaN）是一種非常堅(jiān)硬、機(jī)械穩(wěn)定的寬帶隙半導(dǎo)體?；贕aN的功率器件具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度、更高的導(dǎo)熱性和更低的導(dǎo)通電阻，其性能明顯優(yōu)于硅基器件。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）。通過在硅上生長(zhǎng)GaN外延層，可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，而無需昂貴的專業(yè)生產(chǎn)站點(diǎn)，并以低成本利用現(xiàn)成的大直徑硅晶圓。

GaN用于生產(chǎn)半導(dǎo)體功率器件以及射頻元件和發(fā)光二極管（LED）。GaN已經(jīng)證明了在功率轉(zhuǎn)換、射頻和模擬應(yīng)用中成為硅半導(dǎo)體位移技術(shù)的能力。

什么是氮化鎵HEMT？

高電子遷移率晶體管（HEMT）是使用二維電子氣體（2DEG）的晶體管，該氣體由具有不同帶隙的兩種材料之間的結(jié)產(chǎn)生。與同類硅基解決方案相比，氮化鎵（GaN）基HEMT具有更快的開關(guān)速度、更高的導(dǎo)熱性和更低的導(dǎo)通電阻。這些特性允許GaN晶體管和集成電路用于電路中，以提高效率，縮小尺寸并降低各種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本。

自一百多年前電子時(shí)代開始以來，電源設(shè)計(jì)工程師一直在尋找理想的開關(guān)，一種能夠快速有效地將原始電能轉(zhuǎn)換為受控的有用電子流的開關(guān)。首先是真空管，但效率低下，正如它們產(chǎn)生的熱量所證明的那樣，它們的大尺寸和高成本限制了它們的最終使用。接下來，在50年代后期，晶體管獲得了廣泛使用;憑借其小尺寸和更高的效率，它們似乎是“圣杯”，并迅速取代了真空管，同時(shí)創(chuàng)造了真空管技術(shù)無法觸及的巨大新市場(chǎng)。

硅晶體管和電子時(shí)代

硅迅速成為半導(dǎo)體晶體管的首選材料，不僅因?yàn)樗鼜母旧蟽?yōu)越的電氣性能，而且它的生產(chǎn)成本也遠(yuǎn)低于真空管。硅晶體管以及隨后的集成電路的迅速崛起在整個(gè)1970年代和1980年代持續(xù)?！澳柖伞薄缶w管的性能翻一番，成本降低大約每18個(gè)月一次，創(chuàng)造了具有更高性能和更低成本的新產(chǎn)品的同步鼓聲，讓消費(fèi)者滿意。而且，對(duì)于功率轉(zhuǎn)換，硅基功率MOSFET是這種上升的核心。

與真空管一樣，硅功率MOSFET現(xiàn)在已經(jīng)走到了盡頭，以持續(xù)不斷下降的成本提供更好的性能。幸運(yùn)的是，對(duì)具有無限快開關(guān)速度、無電阻和低成本的理想開關(guān)的追求并沒有放緩，并且出現(xiàn)了用于構(gòu)建高性能功率轉(zhuǎn)換晶體管和集成電路的新基礎(chǔ)材料。

氮化鎵半導(dǎo)體的興起

將電子性能提升到一個(gè)新的水平并重新激活摩爾定律的積極勢(shì)頭的主要候選者是氮化鎵。GaN傳導(dǎo)電子的效率比硅高1000倍以上，同時(shí)能夠以比硅更低的成本制造，現(xiàn)在已經(jīng)得到很好的證實(shí)。硅已經(jīng)耗盡氣體，一種新的、性能更高的半導(dǎo)體材料正在出現(xiàn)——GaN正在崛起。

幸運(yùn)的是，生產(chǎn)GaN器件的成本本質(zhì)上低于生產(chǎn)MOSFET器件的成本，因?yàn)镚aN器件是在目前生產(chǎn)傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的同一工廠使用標(biāo)準(zhǔn)硅制造程序生產(chǎn)的，并且對(duì)于相同的功能性能，由此產(chǎn)生的器件要小得多。由于單個(gè)器件比硅器件小得多，因此每個(gè)晶圓可以生產(chǎn)更多的GaN器件，從而形成了GaN器件的制造成本始終低于硅器件的情況。隨著氮化鎵技術(shù)的進(jìn)步，成本差距越來越大。

氮化鎵是如何工作的？

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。通過在GaN晶體頂部生長(zhǎng)一層薄薄的氮化鋁鎵（AlGaN），在界面處產(chǎn)生應(yīng)變，誘導(dǎo)補(bǔ)償二維電子氣體（2DEG）該2DEG用于在施加電場(chǎng)時(shí)有效地傳導(dǎo)電子。這種2DEG具有高導(dǎo)電性，部分原因是電子被限制在界面處的非常小的區(qū)域。這種限制將電子的遷移率從非應(yīng)變GaN中的約1000 cm2/V·s增加到2DEG區(qū)域的1500至2000 cm2/V·s。這種高遷移率生產(chǎn)的晶體管和集成電路具有比同類硅解決方案更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度、更高的導(dǎo)熱性和更低的導(dǎo)通電阻。

氮化鎵時(shí)代正在進(jìn)行中

隨著氮化鎵材料使晶體管和IC性能的提高成為可能，現(xiàn)在是創(chuàng)新電源設(shè)計(jì)工程師利用氮化鎵屬性的時(shí)候了：

導(dǎo)通電阻更低，電導(dǎo)損耗更低

更快的器件產(chǎn)生更少的開關(guān)損耗

電容更小，充電和放電設(shè)備損耗更小

驅(qū)動(dòng)電路所需的功率更低

更小的設(shè)備在印刷電路板上占用更少的空間

成本更低

審核編輯：湯梓紅