氮化镓半导体的兴起！

什么是硅基氮化镓？

氮化镓（GaN）是一种非常坚硬、机械稳定的宽带隙半导体。基于GaN的功率器件具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的导热性和更低的导通电阻，其性能明显优于硅基器件。氮化镓晶体可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。通过在硅上生长GaN外延层，可以使用现有的硅制造基础设施，而无需昂贵的专业生产站点，并以低成本利用现成的大直径硅晶圆。

GaN用于生产半导体功率器件以及射频元件和发光二极管（LED）。GaN已经证明了在功率转换、射频和模拟应用中成为硅半导体位移技术的能力。

什么是氮化镓HEMT？

高电子迁移率晶体管（HEMT）是使用二维电子气体（2DEG）的晶体管，该气体由具有不同带隙的两种材料之间的结产生。与同类硅基解决方案相比，氮化镓（GaN）基HEMT具有更快的开关速度、更高的导热性和更低的导通电阻。这些特性允许GaN晶体管和集成电路用于电路中，以提高效率，缩小尺寸并降低各种功率转换系统的成本。

自一百多年前电子时代开始以来，电源设计工程师一直在寻找理想的开关，一种能够快速有效地将原始电能转换为受控的有用电子流的开关。首先是真空管，但效率低下，正如它们产生的热量所证明的那样，它们的大尺寸和高成本限制了它们的最终使用。接下来，在50年代后期，晶体管获得了广泛使用;凭借其小尺寸和更高的效率，它们似乎是“圣杯”，并迅速取代了真空管，同时创造了真空管技术无法触及的巨大新市场。

硅晶体管和电子时代

硅迅速成为半导体晶体管的首选材料，不仅因为它从根本上优越的电气性能，而且它的生产成本也远低于真空管。硅晶体管以及随后的集成电路的迅速崛起在整个1970年代和1980年代持续。“摩尔定律”——要求晶体管的性能翻一番，成本降低大约每18个月一次，创造了具有更高性能和更低成本的新产品的同步鼓声，让消费者满意。而且，对于功率转换，硅基功率MOSFET是这种上升的核心。

与真空管一样，硅功率MOSFET现在已经走到了尽头，以持续不断下降的成本提供更好的性能。幸运的是，对具有无限快开关速度、无电阻和低成本的理想开关的追求并没有放缓，并且出现了用于构建高性能功率转换晶体管和集成电路的新基础材料。

氮化镓半导体的兴起

将电子性能提升到一个新的水平并重新激活摩尔定律的积极势头的主要候选者是氮化镓。GaN传导电子的效率比硅高1000倍以上，同时能够以比硅更低的成本制造，现在已经得到很好的证实。硅已经耗尽气体，一种新的、性能更高的半导体材料正在出现——GaN正在崛起。

幸运的是，生产GaN器件的成本本质上低于生产MOSFET器件的成本，因为GaN器件是在目前生产传统硅半导体的同一工厂使用标准硅制造程序生产的，并且对于相同的功能性能，由此产生的器件要小得多。由于单个器件比硅器件小得多，因此每个晶圆可以生产更多的GaN器件，从而形成了GaN器件的制造成本始终低于硅器件的情况。随着氮化镓技术的进步，成本差距越来越大。

氮化镓是如何工作的？

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，用于高效功率晶体管和集成电路。通过在GaN晶体顶部生长一层薄薄的氮化铝镓（AlGaN），在界面处产生应变，诱导补偿二维电子气体（2DEG）该2DEG用于在施加电场时有效地传导电子。这种2DEG具有高导电性，部分原因是电子被限制在界面处的非常小的区域。这种限制将电子的迁移率从非应变GaN中的约1000 cm2/V·s增加到2DEG区域的1500至2000 cm2/V·s。这种高迁移率生产的晶体管和集成电路具有比同类硅解决方案更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的导热性和更低的导通电阻。

氮化镓时代正在进行中

随着氮化镓材料使晶体管和IC性能的提高成为可能，现在是创新电源设计工程师利用氮化镓属性的时候了：

导通电阻更低，电导损耗更低

更快的器件产生更少的开关损耗

电容更小，充电和放电设备损耗更小

驱动电路所需的功率更低

更小的设备在印刷电路板上占用更少的空间

成本更低

审核编辑：汤梓红