什么是氮化镓技术指标体系分解

　　小编在这里给大家分享一下什么是氮化镓技术指标？什么是氮化镓技术指标体系？

　　以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体，具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，其中氮化镓是一种宽能隙材料，它具备与碳化硅（SiC）相似的性能优势，氮化镓电力电子器件具有更高的工作电压、更高的开关频率、更低的导通电阻等优势，GaN材料是目前全球半导体研究的前沿热点；这里我们着重解释什么是氮化镓技术指标体系。

　　氮化镓特性

　　GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

　　化学特性

　　在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。

　　结构特性

　　GaN的晶体结构主要有两种，分别是纤锌矿结构与闪锌矿结构。

　　电学特性

　　GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4 ×1016/cm3、《1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8×103/cm3、《1017/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。

　　光学特性

　　人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV，在1.6kT为Eg=3.503+（5.08×10－4T2）/（T－996）eV。

　　最后我们再回顾一下GaN优点

　　①禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强；

　　②导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）；

　　③GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG（因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）；

　　④晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）：在异质结界面附近产生很强的压电极化（极化电场达2MV/cm）和自发极化（极化电场达3MV/cm），感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对器件工作很有意义。

　　氮化镓技术指标体系

　　目前已经有一些现行的国家标准大家可以作为氮化镓技术指标体系的参考：

　　对于整个技术指标特性；如果从应用的角度来说，需要在晶体管速度、电流能力、击穿电压、效率和可靠性之间进行权衡：

　　我们来看个Qorvo 的例子：

　　为满足不同 GaN 应用的需求，制造商 提供了频率和功率水平范围广泛的多种工艺技术。有了多个 GaN 工艺可供 选择，电路设计人员可以将特定的 GaN 工艺技术与应用进行最优匹配，从 而简化并加快设计。图 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工艺技术，这些技 术旨在适应多个市场领域的各种应用。

　　

　　图 2-3 ：AB 类性能的 Qorvo GaN 工艺技术选项。

　　例如，功率非常高的应用（如工作频率为 2 GHz 的 1 kW 晶体管）将受益于具有较高击穿电压的 GaN 工艺，因为它提高了工作电压和射频功率密度。工作电压的提高也会提高输出效率。这是提高接入电阻和降低晶体管速度之间的权衡。Qorov GaN50 工艺能够在 65 V 的电压条件下运行，同时也具有这些优势。

　　毫米波功率放大器 （PA） 应用（如工作频率为 30 GHz 的 20 W MMIC）要求使用能够在高频率条件下提供较高增益的高速器件。器件设计的权衡将有利于缩短栅极长度，最小化接入电阻，以及最大限度地提高电流容量。从而可以降低击穿电压和功率密度。Qorov GaN15 工艺能够在最高 28 V 的电压条件下运行，同时也具有这些优势。

　　在这两个示例中，GaN 器件提供了比其他技术更高的工作电压，从而展示了该技术固有的速度和电压优势。较高工作电压的优势不仅仅局限于 PA 电路，它还可以为整个系统带来好处。

　　例如 ：相位阵天线系统（GaN PA 的常见应用）可能需要数百或数千个单独的功率放大器。

　　这些天线阵列系统中的直流配电一直都是一大难题，因为电源会占据空间，增加重量，并引起直流电源损耗。但 GaN 具有较高的工作电压，可实现更低的直流电流和出色的尺寸、重量、功率和成本 （SWaP-C） 性能，以应对这些系统所面临的直流配电挑战。

　　我们再来谈谈氮化镓技术指标--可靠性

　　因为GaN 器件被用于可靠性要求最严苛且最具挑战性的各种应用，包括任务关键型系统和航空应用。GaN 的可靠性和稳定性超越了晶体管和 MMIC 工艺。

　　碳化硅基氮化镓在射频应用中脱颖而出的原因如下：

　　1

　　高击穿电场：

　　由于氮化镓拥有大能隙，因此氮化镓材料也拥有高击穿电场，所以氮化镓器件的工作电压可以远高于其他半导体器件。当受到足够高的电场影响时，半导体中的电子能够获得足够动能并脱离化学键（这一过程被称为“碰撞电离”或“电压击穿”）。如果碰撞电离没有得到控制，则能够造成器件性能退化。由于氮化镓能够在较高电压下工作，因此能够用于较高功率的应用。

　　2

　　高饱和速度：

　　氮化镓的电子拥有高饱和速度（非常高的电场下的电子速度）。当结合大电荷能力时，这意味着氮化镓器件能够提供高得多的电流密度。

　　射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积，所以，电压越高，电流密度越大，在实际尺寸的晶体管中产生的射频功率越大。简单而言，氮化镓器件产生的功率密度要高得多。

　　3

　　突出的热属性：

　　碳化硅基氮化镓表现出不同一般的热属性，这主要因为碳化硅的高导热。具体而言，这意味着在功率相同的情况下，碳化硅基氮化镓器件的温度不会变得像砷化镓器件或硅器件那样高。器件温度越低才越可靠。

　　GaN 比传统硅材料更大的禁带宽度，使它具有非常细窄的耗尽区，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构，而载流子浓度直接决定了半导体的导电能力。

　　随着第三代宽禁带材料半导体迅速发展，GaN功率半导体器件的应用规模开始持续增长。相对于硅衬底，宽禁带材料半导体具有更大的禁带宽度，在单位尺寸上能获得更高的器件耐压，以宽禁带材料为衬底制作的功率半导体器件尺寸更小，在特定应用场景具有优势。

　　在2023年初，Transphorm在改变客户评估GaN FET选项方面又向前迈出了一步。Transphorm将其可靠性数据分为两类：

　　低功率：用于功率级别≤ 500W的应用中的GaN器件

　　高功率：用于功率级别》 500W的应用中的GaN器件

　　如果按功率级别类型来考察器件性能，Transphorm旗下GaN FET的可靠性指标如下，这些指标与硅基功率器件极为相近：

　　低功率：0.06 FIT

　　高功率：0.19 FIT

　　我们再来看看Transphorm指标体系案例

　　Transphorm公司目前已经向市场推出了两款900伏 GaN FET，产品代码分别为TP90H180PS和TP90H050WS。关键规格参数见下表：

　　

　　两款900V FET均属于常闭型器件，通过更低的栅极电荷、更快的切换速度和更小的反向恢复电荷，提供更高的效率，明显超越传统硅 （Si） 器件，具有显著优势。 TP90H050WS采用行业标准的3引线TO-247封装，TP90H180PS采用TO-220封装，GSD 引脚布局具有设计的便捷性。 Transphorm的900V GaN FET与现成标准的栅极驱动器兼容，易于设计，适用于LED照明、光伏逆变器、和以及各类650伏器件无法胜任的、需要更高直流母线电压的三相工业电源应用。 这两款器件均获有JEDEC认证。

　　Transphorm 900V GaN FET的评估套件使用3.5千瓦DC-AC逆变器，产品代码为TDINV3500P100。该逆变器工作频率为100kHz，输入直流电压区间为350伏到720伏，输出电压为240伏交流电。

　　Transphorm 900伏GaN FET评估板TDINV3500P100及设置参数

　　

　　  这两款900V GaN FET的典型性能曲线如下：

TP90H050WS的典型性能曲线(效率% ,vs. 输出功率W)    

TP90H180PS的典型性能曲线(效率% ,vs. 输出功率W)

　　综合整理