對(duì)于第三代半導(dǎo)體氮化鎵，你知道多少？

氮化鎵（GaN）是一種非常堅(jiān)硬且機(jī)械性能非常穩(wěn)定的寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，GaN基功率器件明顯優(yōu)于硅基器件。
GaN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)氮化鎵外延層，可以利用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，消除了對(duì)高成本的特定生產(chǎn)設(shè)施的需要，并以低成本使用大直徑硅芯片。
氮化鎵用于制造半導(dǎo)體功率器件，也可用于制造射頻元件和發(fā)光二極管(LED)。Keep Tops的氮化鎵技術(shù)顯示其可在功率轉(zhuǎn)換、射頻和模擬應(yīng)用中取代硅基半導(dǎo)體技術(shù)。

什么是高電子遷移率晶體管
使用二維電子氣(2 DEG)，由兩種不同帶隙材料之間的結(jié)組成。與同等的基于硅的解決方案相比，GaN基HE MT的開(kāi)關(guān)速度更快，具有更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，允許GaN晶體管和集成電路用于電路，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。
一百多年前，在電子時(shí)代的黎明，電源設(shè)計(jì)工程師努力尋找理想的開(kāi)關(guān)，一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效功率轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)，將原始電能轉(zhuǎn)換成可控的、有用的流動(dòng)電子。首先是真空管技術(shù)。
而，由于其產(chǎn)生大量熱量而導(dǎo)致的能量效率較低，而且體積大、成本高，限制了它的應(yīng)用。然后在20世紀(jì)50年代，晶體管被廣泛使用。它的小體積和高效率使它成為工業(yè)界的“圣杯”，它迅速取代了真空管，同時(shí)推動(dòng)了巨大的、全新的市場(chǎng)發(fā)展，這是真空管技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。

硅基晶體管與電子時(shí)代的到來(lái)
硅很快成為制造半導(dǎo)體晶體管的首選材料。這不僅是因?yàn)槠涔逃械膬?yōu)越的電氣特性，而且還因?yàn)樗纳a(chǎn)成本比真空管。此后，在20世紀(jì)70年代和80年代，硅基晶體管和隨后的集成電路發(fā)展迅速。
摩爾定律認(rèn)為，晶體管的性能可以在18個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)提高一倍，與此同時(shí)，它們的制造成本也會(huì)隨之降低，推動(dòng)業(yè)界不斷推出性能更高、成本更低的新產(chǎn)品，深受客戶歡迎。功率轉(zhuǎn)換中，硅基功率MOSFET器件實(shí)踐了這一規(guī)律，成為硅基晶體管蓬勃發(fā)展的主要因素。
像真空管技術(shù)一樣，硅基功率MOSFET已經(jīng)被推到了極限——以實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的價(jià)格。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)繼續(xù)要求理想的開(kāi)關(guān)具有極快的開(kāi)關(guān)，無(wú)電阻，更低的成本等優(yōu)點(diǎn)，新材料推出，可以使高性能的功率轉(zhuǎn)換晶體管和集成電路。

氮化鎵方案

氮化鎵半導(dǎo)體的快速發(fā)展
把電子性能帶到另一個(gè)更高水平和恢復(fù)摩爾定律的主要候選材料是氮化鎵材料。已經(jīng)證明，GaN器件的電子傳導(dǎo)效率是硅基器件的1000倍，同時(shí)制造成本低于硅基器件。硅基器件的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了極限，一種性能更高的新型半導(dǎo)體材料正在興起——氮化鎵材料。

氮化鎵器件的工作原理
氮化鎵是一種寬帶隙半導(dǎo)體，用于高效率功率晶體管和集成電路。氮化鋁鎵（AlGaN）的薄層生長(zhǎng)在GaN晶體的頂部上，并在界面處施加應(yīng)力，導(dǎo)致在二維電子氣（2DEG）。2DEG用于在電場(chǎng)作用下有效地傳導(dǎo)電子。
2 DEG具有很高的導(dǎo)電性，部分原因是由于電子在界面處被困在非常精細(xì)的區(qū)域，從而使電子的遷移率從無(wú)應(yīng)力作用前的1000 cm2/V S增加到2 DEG區(qū)的1500~1500。2000平方厘米/V·s。
與硅基解決方案相比，GaN晶體管和集成電路的高電子遷移率可實(shí)現(xiàn)更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻。

審核編輯 黃宇