什么是氮化鎵（GaN）？什么是高電子遷移率晶體管？

什么是硅基氮化鎵？

氮化鎵（GaN）是一種非常堅硬且在機械方面非常穩(wěn)定的寬帶隙半導體材料。 由于具有更高的擊穿強度、更快的開關，更高的熱導率和更低的導通電阻，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，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。 在硅上生長GaN外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎設施，從而無需使用高成本的特定生產設施，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）。 氮化鎵技術展示出它可以在功率轉換、射頻及模擬應用中，替代硅基半導體技術。

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點構成。與等效硅基解決方案相比，氮化鎵基HEMT的開關更快、熱導率更高和導通電阻更低，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換系統(tǒng)的成本。

在一百多年以前，當電子時代露出曙光時，功率設計工程師一直努力尋求最理想的開關 -- 支持快速、高效電源轉換的開關，能夠把原始電能轉換成受控、有用的流動電子。首先出現(xiàn)的是真空管技術?？墒牵捎谒a生大量的熱量，所以能效低，而且體積大和成本高昂，使得它的應用受限。隨后在50年代，晶體管被廣泛地應用，它的小尺寸及具備較高效率的優(yōu)勢，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推動了龐大的、全新的市場發(fā)展，這是真空管技術所無法實現(xiàn)到的。

硅基晶體管及電子時代的來臨

硅材料很快便成為制造半導體晶體管的首選材料。這不獨是因為它本質上具備卓越的電氣特性，其生產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個月之間得以翻倍，而同時其制造成本也會降低，驅使行業(yè)得以推出具備更高性能及更低成本的全新產品，從而深受客戶歡迎。在功率轉換中，硅基功率MOSFET器件實踐了這個定律而成為硅基晶體管得以蓬勃發(fā)展的主要因素。

就像真空管技術一樣，硅基功率MOSFET一直以來的發(fā)展 – 實現(xiàn)更高的性能及更低的價格 - 已經到了極限。幸運的是，市場一直要求具有極快速的開關、沒有電阻、更低的成本等優(yōu)勢的理想開關，而且可制造高性能功率轉換晶體管及集成電路的全新材料也推陳而出新。

氮化鎵半導體的快速發(fā)展

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

幸運的是，制造氮化鎵器件的成本比制造MOSFET器件的成本為低，這是由于我們在目前用來制造傳統(tǒng)硅基半導體的相同工廠中，采用制造硅器件的標準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小很多。由于每個氮化鎵器件都比硅基器件細小很多，因此每塊晶圓可以產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?shù)壖夹g繼續(xù)得以提升時，它與硅基器件的成本差距，將進一步擴大。

氮化鎵器件如何工作？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導體，用于高效功率晶體管和集成電路。在GaN晶體的頂部生長氮化鋁鎵（AlGaN）薄層并在界面施加應力，從而產生二維電子氣（2DEG）。2DEG用于在電場作用下，高效地傳導電子。2DEG具有高導電性，部分原因是由于電子被困在界面處的非常細小的區(qū)域，從而將電子的遷移率從未施加應力前約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，可實現(xiàn)更高的擊穿強度、更快的開關、更高的導熱率和更低的導通電阻。

氮化鎵時代正在不斷邁步向前

氮化鎵材料推動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)新的功率設計工程師的最佳時機，于他們的設計中，發(fā)揮氮化鎵器件的各種優(yōu)勢，包括：

更低的導通電阻，從而實現(xiàn)更低的傳導損耗

更快速開關的器件可以實現(xiàn)更低的開關損耗

更小的電容在對器件進行充電及放電時，可實現(xiàn)更低的損耗

需要更少的功率來驅動電路

更細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

使用交互式產品參數(shù)和選型工具，可為您的功率轉換系統(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