深入了解 GaN 技術(shù)

本章將深入探討氮化鎵 (GaN) 技術(shù) ：其屬性、優(yōu)點(diǎn)、不同制造工藝以及最新進(jìn)展。這種更深入的探討有助于我們了解 ：為什么 GaN 能夠在當(dāng)今這個(gè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的環(huán)境下發(fā)揮越來越重要的作用。

GaN ：可靠的技術(shù)

GaN 是一項(xiàng)久經(jīng)考驗(yàn)的化合物半導(dǎo)體技術(shù)。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，化合物半導(dǎo)體一直都是高性能應(yīng)用中的主導(dǎo)微波集成電路 (IC) 技術(shù)。這是因?yàn)榕c簡單的硅基半導(dǎo)體器件相比，它們可實(shí)現(xiàn)卓越的速度和功率組合。

化合物半導(dǎo)體由元素周期表中的兩個(gè)或兩個(gè)以上不同元素族組成，而簡單的半導(dǎo)體器件則由硅 (Si) 等單元素組成。如圖 2-1 所示，GaN 是其中一種化合物半導(dǎo)體，它將元素周期表的第三列和第五列元素組合在一起，因此被稱為 III-V 化合物半導(dǎo)體。

圖 2-1 ：簡單半導(dǎo)體與 III-V 化合物半導(dǎo)體

這些 III-V 半導(dǎo)體可用于各種應(yīng)用。在過去的四十年，砷化鎵 (GaAs) 應(yīng)用最為廣泛，全球運(yùn)行著數(shù)十億個(gè) GaAs IC。與 GaAs 相比，GaN 可實(shí)現(xiàn)更出色的速度和功率處理組合。在晶體管速度給定的情況下，GaN 具有出色的功率性能，因此能夠在頻率范圍廣泛的數(shù)千個(gè)應(yīng)用中取代其他技術(shù)。

GaN 單芯片微波集成電路 (MMIC) 和分立式晶體管于 2000 年代后期首次投入生產(chǎn)，主要針對最高功率水平的固態(tài)應(yīng)用。在毫米波 (mmWave) 應(yīng)用中，GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs，與競爭技術(shù)中 MMIC 提供的功率水平相比，GaN 可在 Ka 頻段實(shí)現(xiàn)數(shù)十瓦的功率。在較低的頻率下（如 L 頻段），GaN 晶體管可實(shí)現(xiàn)超過 1,000 瓦的功率！

正如我們在第 1 章中提到的，GaN 可以使用多種基板材料，如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金剛石。GaN 可與高熱導(dǎo)率基板（如 SiC）兼容，從而增強(qiáng)了其在高功率應(yīng)用中的優(yōu)越性。

體管 GaN 固有的材料屬性如何創(chuàng)造卓越的射頻晶

從概念上講，使用 GaN 構(gòu)建的場效應(yīng)晶體管 (FET) 與使用其他半導(dǎo)體材料（如 GaAs、磷化銦 (InP) 或 Si）構(gòu)建的使用柵極觸點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的晶體管類似。如果為 GaN 射頻 (RF) 器件，其實(shí)現(xiàn)通常是耗盡型高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

耗盡型 HEMT 對柵電極施加負(fù)偏壓。這樣就切斷了漏極和源極之間的電流。當(dāng)施加的柵電壓為零時(shí)，耗盡型 FET 設(shè)計(jì)為處于開啟狀態(tài) ；可通過將柵極拉大閾值電壓以下將其關(guān)閉。

GaN 器件由縱向材料結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)組成，前者定義了許多固有屬性，后者實(shí)現(xiàn)了與材料結(jié)構(gòu)的接觸并電荷流的控制（參見圖 2-2）。與其他 FET 一樣，橫向結(jié)構(gòu)包括源極、漏極和柵極觸點(diǎn)。通常，附近還有其他結(jié)構(gòu)提供磁場控制，如圖 2-2 中所示的源場板。

靜觀其變:

Qorvo 制作了一個(gè)非常有用的視頻，解釋如何正確地打開或關(guān)閉 GaN HEMT 晶體管。欲查看“如何偏置 GaN 晶體管 ：入門教程”，請?jiān)L問 ： www.qorvo.com/design-hub/videos/how-to-bias-gantransistors-an-introducti...。

圖 2-2 ：基本的 GaN FET 幾何結(jié)構(gòu)

下面為圖 2-2 所示內(nèi)容 ：

? 屏障提供了兩個(gè)關(guān)鍵功能 ：實(shí)現(xiàn)柵極和信道之間的隔離，以及支持電子流動(dòng)的電荷容量。它通常由氮化鎵鋁 (AlGaN) 制成。

? 信道為純 GaN。它可以為漏極觸點(diǎn)和源極觸點(diǎn)之間的電流提供傳導(dǎo)路徑。GaN 的高飽和速度和遷移率可實(shí)現(xiàn)器件漏極和源極之間的高速傳輸和電流電平。

? 緩沖用于限制信道內(nèi)的電荷流，以避免泄漏到基板，并保證晶體管器件之間的隔離。

? 基板決定了器件的機(jī)械和散熱性能。功耗較高的器件可受益于具有較高熱導(dǎo)率的基板。SiC 基板材料使用便捷，可提供出色的散熱性能，同時(shí)兼容 GaN 材料生長和 MMIC 制備。

以下是橫向結(jié)構(gòu)的重要功能 ：

? 器件的柵極控制從漏極到源極觸點(diǎn)且流經(jīng)器件的電流。柵極的 長度決定了器件的速度和電子流經(jīng)控制區(qū)域的時(shí)間。

? 源極和漏極觸點(diǎn)提供本征器件的低阻接入。柵極與這些觸點(diǎn)之 間的隔離不僅會(huì)產(chǎn)生不必要的寄生接入電阻，而且還會(huì)增加支 持預(yù)期操作所需的擊穿電壓。

GaN 工藝選項(xiàng)解密

通過在晶體管速度、電流能力、擊穿電壓、效率和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡， 可針對目標(biāo)應(yīng)用對 FET 進(jìn)行優(yōu)化。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(gè) GaN 工藝可供 選擇，電路設(shè)計(jì)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(jì)。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(gè)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(xiàng)

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?yàn)樗岣吡斯ぷ麟妷汉蜕漕l功率密度。工作電壓的提高也會(huì)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(shí)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(jì)的權(quán)衡將有利于縮短?hào)艠O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(shí)也具有這些優(yōu)勢。

在這兩個(gè)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(gè)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(gè)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?yàn)?a target="_blank">電源會(huì)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(shí)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)。

GaN 器件的可靠性評估

在所有電子系統(tǒng)中，可靠性都極其重要，因此在選擇半導(dǎo)體時(shí)，可靠性是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。GaN 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢就是，與其他半導(dǎo)體相比，它可以在更高的電壓和功率密度下運(yùn)行。GaN 可以滿足這些嚴(yán)苛要求，在高結(jié)溫條件下具有經(jīng)過實(shí)踐證明的可靠性，同時(shí)可在 200℃ 溫度條件下實(shí)現(xiàn)超過 107（1000 萬）小時(shí)的平均無故障時(shí)間 (MTTF)，在 225℃ 溫度條件下實(shí)現(xiàn)超過 106（100 萬）小時(shí)的平均無故障時(shí)間。GaN 具有更高的安全運(yùn)行通道溫度和更長的使用壽命，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠推動(dòng)其應(yīng)用和產(chǎn)品的進(jìn)步。

GaN 制造商采用不同的故障分析方法 ：一些依賴于熱成像，而另一些則使用熱成像、產(chǎn)品包裝測試和建模的組合方法。但所有制造商和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都同意 ：與其他技術(shù)相比，GaN 在高功率、高溫應(yīng)用方面更可靠。如圖 2-4 中所示，GaN 的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基于 GaAs 的晶體管。

圖 2-4 ：使用 Qorvo MTTF 曲線進(jìn)行

GaN 與 GaAs 技術(shù)器件的可靠性比較示例 GaN 應(yīng)用通常會(huì)使器件處于更高應(yīng)力的工作條件下，如更高的電流密度、更高的環(huán)境溫度和更高的電場。無論是器件設(shè)計(jì)還是器件使用的結(jié)果，這些問題都可能是由壓電效應(yīng)、熱失配或封裝引起的。

GaN 器件還有一個(gè)需要注意的固有器件特性 ：由 GaN 固有的壓電特性引起的應(yīng)力。圖 2-5 展示了 GaN FET 的峰值應(yīng)力區(qū)域。然而，在 GaN 器件中，這種行為很好表征，也易于理解。因此，使用目前的 GaN 工藝技術(shù)，這不再是問題。

圖 2-5 ：FET 的高電場區(qū)域

如今，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，經(jīng)過優(yōu)化可應(yīng)對 GaN 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大所面臨的電氣、散熱和環(huán)境挑戰(zhàn)。其環(huán)境穩(wěn)定性可實(shí)現(xiàn)當(dāng)今所有 GaN 工藝的裸片級高加速應(yīng)力測試 (HAST) 兼容性。GaN 的封裝和互連技術(shù)也在不斷進(jìn)步，以保持同步。

例如 ：當(dāng)今的 Qorvo GaN 技術(shù)可用于大批量、制造成熟度 10 級 (MRL 10) 的成熟工藝。MRL 是美國國防部 (DOD) 制定的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，用于評估制造成熟度。MRL 10 是最高級別的制造成熟度，表明全速生產(chǎn)和精益生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)就緒。

GaN 技術(shù)不斷進(jìn)步，以支持更廣泛的應(yīng)用。這些進(jìn)步包括在寬帶頻率范圍中支持更高的工作頻率和不斷增加的功率水平。與大多數(shù)其他技術(shù)進(jìn)步一樣，小批量生產(chǎn)能力正在向大批量的成熟生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)移。

GaN 的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步就是，通過縮短 GaN 柵極長度，可在極高頻率（100 GHz 或更高）下運(yùn)行。另一個(gè)進(jìn)步就是輸出功率水平 ：當(dāng)工作電壓提高時(shí)，GaN 可以在較低的頻率下實(shí)現(xiàn)較高的功率密度。

如今，GaN PA 設(shè)計(jì)通常遵循這樣一個(gè)原則 ：1 GHz 頻率下為數(shù)千瓦，10 GHz 頻率下為數(shù)百瓦，100 GHz 頻率下為數(shù)十瓦。在過去五年，這一粗略的品質(zhì)因數(shù)翻了三倍，且仍在繼續(xù)提高。

GaN 技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大 GaN PA 頻率范圍，提高其功率水平。其他參數(shù)也正在探索之中，如增加高功率放大器 (HPA) 帶寬和提高效率。GaN 器件性能的提高和電路設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步可實(shí)現(xiàn)這些領(lǐng)域的不斷進(jìn)步。

GaN 在過去 20 年中已經(jīng)長足發(fā)展，如今正在進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更廣泛部署。我們可以肯定的是，未來 GaN 技術(shù)將進(jìn)一步改進(jìn)，其應(yīng)用范圍也將更加廣泛。

文章來源： Qorvo半導(dǎo)體

審核編輯 黃宇