小編在這里給大家分享一下什么是氮化鎵技術指標？什么是氮化鎵技術指標體系？

　　以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體，具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，其中氮化鎵是一種寬能隙材料，它具備與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢，氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優(yōu)勢，GaN材料是目前全球半導體研究的前沿熱點；這里我們著重解釋什么是氮化鎵技術指標體系。

　　氮化鎵特性

　　GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。

　　化學特性

　　在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差的GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。

　　結構特性

　　GaN的晶體結構主要有兩種，分別是纖鋅礦結構與閃鋅礦結構。

　　電學特性

　　GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹：芏嘌芯啃〗M都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相應的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4 ×1016/cm3、《1016/cm3；等離子激活MBE的結果為8×103/cm3、《1017/cm3。未摻雜載流子濃度可控制在1014～1020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在1011～1020/cm3范圍。

　　光學特性

　　人們關注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發(fā)射器件上的應用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關系，Pankove等人估算了一個帶隙溫度系數(shù)的經(jīng)驗公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503+（5.08×10－4T2）/（T－996）eV。

　　最后我們再回顧一下GaN優(yōu)點

　　①禁帶寬度大（3.4eV），熱導率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強；

　　②導帶底在Γ點，而且與導帶的其他能谷之間能量差大，則不易產(chǎn)生谷間散射，從而能得到很高的強場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；

　　③GaN易與AlN、InN等構成混晶，能制成各種異質結構，已經(jīng)得到了低溫下遷移率達到105cm2/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學聲子散射、電離雜質散射和壓電散射等因素）；

　　④晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結構或四方亞穩(wěn)的閃鋅礦結構），具有很強的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發(fā)極化）：在異質結界面附近產(chǎn)生很強的壓電極化（極化電場達2MV/cm）和自發(fā)極化（極化電場達3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強烈調制了異質結的能帶結構，加強了對2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質結中可達到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質結中的高一個數(shù)量級），這對器件工作很有意義。

　　氮化鎵技術指標體系

　　目前已經(jīng)有一些現(xiàn)行的國家標準大家可以作為氮化鎵技術指標體系的參考：

　　對于整個技術指標特性；如果從應用的角度來說，需要在晶體管速度、電流能力、擊穿電壓、效率和可靠性之間進行權衡：

　　我們來看個Qorvo 的例子：

　　為滿足不同 GaN 應用的需求，制造商 提供了頻率和功率水平范圍廣泛的多種工藝技術。有了多個 GaN 工藝可供 選擇，電路設計人員可以將特定的 GaN 工藝技術與應用進行最優(yōu)匹配，從 而簡化并加快設計。圖 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工藝技術，這些技 術旨在適應多個市場領域的各種應用。

　　圖 2-3 ：AB 類性能的 Qorvo GaN 工藝技術選項。

　　例如，功率非常高的應用（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，因為它提高了工作電壓和射頻功率密度。工作電壓的提高也會提高輸出效率。這是提高接入電阻和降低晶體管速度之間的權衡。Qorov GaN50 工藝能夠在 65 V 的電壓條件下運行，同時也具有這些優(yōu)勢。

　　毫米波功率放大器 （PA） 應用（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。器件設計的權衡將有利于縮短柵極長度，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 的電壓條件下運行，同時也具有這些優(yōu)勢。

　　在這兩個示例中，GaN 器件提供了比其他技術更高的工作電壓，從而展示了該技術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，它還可以為整個系統(tǒng)帶來好處。

　　例如 ：相位陣天線系統(tǒng)（GaN PA 的常見應用）可能需要數(shù)百或數(shù)千個單獨的功率放大器。

　　這些天線陣列系統(tǒng)中的直流配電一直都是一大難題，因為電源會占據(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，以應對這些系統(tǒng)所面臨的直流配電挑戰(zhàn)。

　　我們再來談談氮化鎵技術指標--可靠性

　　因為GaN 器件被用于可靠性要求最嚴苛且最具挑戰(zhàn)性的各種應用，包括任務關鍵型系統(tǒng)和航空應用。GaN 的可靠性和穩(wěn)定性超越了晶體管和 MMIC 工藝。

　　碳化硅基氮化鎵在射頻應用中脫穎而出的原因如下：

　　1

　　高擊穿電場：

　　由于氮化鎵擁有大能隙，因此氮化鎵材料也擁有高擊穿電場，所以氮化鎵器件的工作電壓可以遠高于其他半導體器件。當受到足夠高的電場影響時，半導體中的電子能夠獲得足夠動能并脫離化學鍵（這一過程被稱為“碰撞電離”或“電壓擊穿”）。如果碰撞電離沒有得到控制，則能夠造成器件性能退化。由于氮化鎵能夠在較高電壓下工作，因此能夠用于較高功率的應用。

　　2

　　高飽和速度：

　　氮化鎵的電子擁有高飽和速度（非常高的電場下的電子速度）。當結合大電荷能力時，這意味著氮化鎵器件能夠提供高得多的電流密度。

　　射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積，所以，電壓越高，電流密度越大，在實際尺寸的晶體管中產(chǎn)生的射頻功率越大。簡單而言，氮化鎵器件產(chǎn)生的功率密度要高得多。

　　3

　　突出的熱屬性：

　　碳化硅基氮化鎵表現(xiàn)出不同一般的熱屬性，這主要因為碳化硅的高導熱。具體而言，這意味著在功率相同的情況下，碳化硅基氮化鎵器件的溫度不會變得像砷化鎵器件或硅器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。

　　GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結構，而載流子濃度直接決定了半導體的導電能力。

　　隨著第三代寬禁帶材料半導體迅速發(fā)展，GaN功率半導體器件的應用規(guī)模開始持續(xù)增長。相對于硅襯底，寬禁帶材料半導體具有更大的禁帶寬度，在單位尺寸上能獲得更高的器件耐壓，以寬禁帶材料為襯底制作的功率半導體器件尺寸更小，在特定應用場景具有優(yōu)勢。

　　在2023年初，Transphorm在改變客戶評估GaN FET選項方面又向前邁出了一步。Transphorm將其可靠性數(shù)據(jù)分為兩類：

　　低功率：用于功率級別≤ 500W的應用中的GaN器件

　　高功率：用于功率級別》 500W的應用中的GaN器件

　　如果按功率級別類型來考察器件性能，Transphorm旗下GaN FET的可靠性指標如下，這些指標與硅基功率器件極為相近：

　　低功率：0.06 FIT

　　高功率：0.19 FIT

　　我們再來看看Transphorm指標體系案例

　　Transphorm公司目前已經(jīng)向市場推出了兩款900伏 GaN FET，產(chǎn)品代碼分別為TP90H180PS和TP90H050WS。關鍵規(guī)格參數(shù)見下表：

　　兩款900V FET均屬于常閉型器件，通過更低的柵極電荷、更快的切換速度和更小的反向恢復電荷，提供更高的效率，明顯超越傳統(tǒng)硅 （Si） 器件，具有顯著優(yōu)勢。 TP90H050WS采用行業(yè)標準的3引線TO-247封裝，TP90H180PS采用TO-220封裝，GSD 引腳布局具有設計的便捷性。 Transphorm的900V GaN FET與現(xiàn)成標準的柵極驅動器兼容，易于設計，適用于LED照明、光伏逆變器、和以及各類650伏器件無法勝任的、需要更高直流母線電壓的三相工業(yè)電源應用。 這兩款器件均獲有JEDEC認證。

　　Transphorm 900V GaN FET的評估套件使用3.5千瓦DC-AC逆變器，產(chǎn)品代碼為TDINV3500P100。該逆變器工作頻率為100kHz，輸入直流電壓區(qū)間為350伏到720伏，輸出電壓為240伏交流電。

　　Transphorm 900伏GaN FET評估板TDINV3500P100及設置參數(shù)

　　? 這兩款900V GaN FET的典型性能曲線如下：

TP90H050WS的典型性能曲線(效率% ,vs. 輸出功率W) ? ?

TP90H180PS的典型性能曲線(效率% ,vs. 輸出功率W)

　　綜合整理