碳化硅上的氮化镓：衬底挑战

无线通信可能始于 1990 世纪后期，但它直到 <> 年代才真正开始了一场连接革命，当时商用 MOSFET 和射频横向扩散金属氧化物 （LDMOS） 电路提供了急需的功率、效率和价格点。

这场革命通过2G，3G以及最近的4G蜂窝链路将我们在全球范围内连接起来，不仅携带语音，还携带大量信息，已经导致每年在各种类型的设备之间传输1.5泽字节（ZB）的IP数据（根据思科的视觉网络指数）。

随着各种设备开始联网，对速度的需求正在推动行业走向5G，承诺更大的带宽和更少的延迟。许多5G频段所在的频段对于基于硅（Si）的传统半导体器件来说太具有挑战性了。

用于高频的氮化镓

RF LDMOS之于早期蜂窝网络，氮化镓（GaN）之于现代和高频应用。与砷化镓（GaAs）和Si LDMOS相比，GaN长期以来一直具有难以超越的优势：

电子迁移率明显高于LDMOS。增加的电子迁移率可在更高的频率下提供更多的增益和更高的效率。

击穿电压明显高于砷化镓和低密度计速。GaN的击穿临界电场估计超过4 MV / cm，Si的0.2 MV / cm和GaAs的0.4 MV / cm。GaN 在 28V 至 50V 的电源电压下具有高可靠性和耐用性。

由于更好的热传导，减小了芯片尺寸。

高活化能使GaN器件能够以更少的冷却方式运行，并且无需昂贵且复杂的热提取结构。

高功率密度导致更低的电容和更高的阻抗，更容易匹配。

GaN HEMT特性非常适合预失真等线性化技术。

基板挑战

向GaN的转化正在进行中，但存在技术挑战，包括生长GaN外延膜的困难。这是由于难以制造尺寸和纯度的天然GaN基板以竞争用于同质外延。因此，需要另一种底物 - 用于异型外延生长。

基材的选择至关重要。这种材料不仅必须具有高导热性，而且还必须与GaN的低晶格失配。

虽然公司已经在硅、碳化硅（SiC）和金刚石衬底上制造了GaN器件，但目前只有SiC最能满足所有要求。

碳化硅还是硅上的氮化镓？

SiC紧密匹配的晶格结构意味着GaN外延可以在其上生长，其位错密度低于其他材料。这减少了泄漏并提高了可靠性。

另一方面，Si既不符合GaN的晶格结构，也不符合热性能。这会导致更高的缺陷密度以及由于翘曲而导致的可靠性和可制造性问题。为了克服这些问题，公司必须使用复杂的缓冲层和整体更复杂的外延结构。

由于SiC与GaN一样，具有比Si更好的导热性，因此它可以有效地耗散高功率密度，以实现实际的漏极效率，从而防止由于自热而导致的极端沟道温度。SiC 和 Si 的导热系数之间的差异是巨大的：430H 半绝缘 （SI） SiC 多型为 4 W/mK，而 Si 的导热系数为 146 W/mK。这意味着，等效功率的硅基氮化镓器件的芯片尺寸必须比SiC上的氮化镓器件大约20%，以便分散热负荷，即使硅衬底严重变薄也是如此。

此外，与SiC上的GaN相比，Si上的GaN容易随着温度的升高而性能下降。当Si衬底加热时，其电阻率显着降低。低电阻率的衬底等同于较高的RF损耗，从而对RF性能产生负面影响。

Si 衬底还具有比 SiC 衬底更高的寄生电容，这导致 Si 衬底具有更有限的工作带宽。

GaN对SiC器件对总成本的影响，考虑到更高的效率、更好的高频操作、更小的芯片尺寸以及空间和重量的节省，使其成为比硅上的GaN更具吸引力的解决方案。

审核编辑：郭婷