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[资料分享] GaN材料的研究与应用

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发表于 2019-10-5 12:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

        在科学技术飞速发展的今天,离不开我们科研人员的辛勤付出,制造出如此多的电子产品,然而大家只关注这些产品的使用,只有研究人员会关注内部结构,这其中就要数功率器件了。什么是GaN?GaN中文名:氮化嫁,用化学元素来解释就是V族化合物。六方晶系铅锌矿型结构,为直接带隙半导体。室温禁带宽度3.39eV。电子和空穴有效惯性质量分别为0.19和0.6。电阻率>107Ω·m,电子迁移率 (1.25~1.50)×10-2m2/(V·s)。采用化学气相淀积法制备。

       GaN材料的研究与应用是全球半导体研究的热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

 

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某功率器件

       GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。工程师用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。

        GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料,GaN及其合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后,InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前,GaN LED的应用已经普遍,您每天都可能会见到它的身影,在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中、甚至闪光灯里。GaN LED的成功不仅仅引发了光电行业中的革命。它还帮助人们投入更多的资金和注意力来发展大功率高频率GaN晶体管。

GaN半导体

        氮化镓晶体管可耐受极度高温,并且其频率和功率特性远远高于硅、砷化镓、碳化硅、以及迄今为止所制造的所有半导体器件。此类器件的频率和功率处理能力对于为技术领域带来革命的高级通信网络中的放大器、调制器和其它关键器件非常重要。无线网络基站就是一个很好的例子。

        未来的无线网络可使人们利用手机、PDA或其它便携式设备访问可支持视频或高质量音频应用的高速数据流。然而,如何使手机基站中的放大器能够处理未来任何人都可随时随地下载全动感视频数据时所产生的巨大数字流还是一个问题。目前,手机基站中的放大器已经接近其性能极限。现有放大器采用的是效率只有10%的硅芯片技术,这意味着到达晶体管的能量中有90%以热量的形式浪费了。强力的风扇必须不断地运转以将放大器产生的这些热量带走。此外,还需要复杂的电路来校正谐波和其它失真。

        氮化镓(GaN)晶体管可将基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍,因此可以用较少数量的基站覆盖同样的地区,或者,更可能的情况是,在基站数量不变的情况下提供更高的数据传输速率。由于不再需要强力风扇和校正电路,整个基站有可能缩小到只有小型电冰箱的大小,可以安装在电线杆上,而不必占据电话公司中心局中昂贵的空间。

         这一速度、高功率和耐热性能的组合还使GaN晶体管适合无数的其它应用。例如,汽油电力混合汽车需要用电路将电池中的直流电转换为可驱动电机的交流电。GaN晶体管对此类电路非常理想。

氮化镓的与众不同之处在于它结合了碳化硅的高击穿场强和砷化镓、锗硅或磷化铟材料的高频率特性。当然对于半导体而言,性能和成本将决定最终的赢家。目前在两方面GaN都还有许多可以改善的空间。

          如果想在功率应用上使用GaN技术,必须先选择一种基片来形成GaN层。不论是块状GaN、SiC或者是蓝宝石晶圆,它们在成本、供应量及尺寸方面都有缺点。虽然从前硅是最吸引的低成本基片,但使用也有困难,例如会形成瑕疵及变形。因为基片与外延膜之间在晶格常数和热膨胀系数方面本质上不匹配,所以要完成可靠且有高品质的硅基片GaN异质外延工艺程序一向都很困难。工程人员非常努力地寻找能够解决这些问题的控制程序和方法,最终开发了一种拥有低不良率,高一致性及器件可靠性的外延膜。

       与传统硅基功率器件相比,基于GaN的功率器件具有导通电阻低和能够进行高频操作等特性。而这些特性恰恰有利于提高电源单元转换效率,并使电源单元更加紧凑。富士通半导体计划在硅基板上进行GaN功率器件的商业化,从而可以通过硅晶圆直径的增加,来实现低成本生产。按照此目标,富士通半导体自2009年起就在开发批量生产技术。此外,富士通半导体自2011年起开始向特定电源相关合作伙伴提供GaN功率器件样品,并对之进行优化,以便应用在电源单元中。现在,富士通半导体于2013年量产GaN功率器件也是受到了市场影响以及GaN本身的优越性。

      2012年底,富士通半导体开始与富士通研究所 (Fujitsu Laboratories Limited) 合作进行技术开发,包括开发工艺技术来增加硅基板上的高质量GaN晶体数量;开发器件技术,如优化电极的设计,来控制开关期间导通电阻的上升;以及设计电源单元电路布局来支持基于GaN的器件的高速开关。这些技术开发结果使富士通半导体在使用GaN功率器件的功率因数校正电路中成功实现了高于传统硅器件性能的转换效率。富士通半导体还设计了一种具有上述功率因数校正电路的服务器电源单元样品,并成功实现了2.5kW的输出功率。

2013年富士通半导体又推出基于硅衬底的氮化镓(GaN)功率器件芯片MB51T008A,该芯片可耐压150 V。该产品初始状态是断开(Normally-off),相比于同等耐压规格的硅功率器件,品质因数(FOM)可降低近一半。基于富士      通半导体的GaN功率器件,用户可以设计出体积更小,效率更高的电源组件,可广泛的运用于ICT设备、工业设备和汽车电子等领域。

       上面也提到过GaN的诸多优点,而MB51T008A本身也具有很多功率器件的优点,包括:1)导电阻13 mΩ,总栅极电荷为16 nC,使用相同的击穿电压,实现的品质因数(FOM)大约是基于硅的电源芯片产品的一半;2)使用WLCSP封装,最小的寄生电感和高频率操作;3) 专有的栅极设计,可实现默认关闭状态,可进行常关操作。新产品是数据通信设备、工业产品和汽车电源中使用的DC-DC转换器的高边开关和底边开关的理想选择。此外,由于其支持电源电路中更高的开关频率,电源产品可实现整体尺寸缩小和效率的提高。

        除了提供150 V的耐压值产品,富士通半导体还开发了耐压为600 V 和 30 V的产品,从而有助于在更宽广的产品领域提高电源效率。这些GaN功率器件芯片采用富士通研究所自20世纪80年代来牵头开发的HEMT (高电子迁移率晶体管)技术。富士通半导体在GaN领域拥有大量的专利技术和IP,可迅速将GaN功率器件产品推向市场。富士通半导体还计划与客户在各个行业建立合作伙伴关系,以进一步拓展业务。技术的不断发展,也推动了功率器件的不断更新,这也需要我们年轻的科研人员更加努力,学好专业知识,这样才能赶得上社会的发展。



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