什么是氮化鎵技術指標體系分解

什么是氮化鎵技術指標體系分解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?；瘜W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)?。很多研究小組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QorvoGaN工藝技術選項。例如，功率非常高的應用（如工作頻率為2GHz的1kW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。QorovGaN50工藝能夠在65V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30GHz的20WMMIC）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。QorovGaN15工藝能夠在最高28V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)（GaNPA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生的射頻功率越大。簡單而言，氮化鎵器件產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GaNFET選項方面又向前邁出了一步。Transphorm將其可靠性數(shù)據分為兩類：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GaNFET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：0.06FIT高功率：0.19FIT我們再來看看Transphorm指標體系案例Transphorm公司目前已經向市場推出了兩款900伏GaNFET，產品代碼分別為TP90H180PS和TP90H050WS。關鍵規(guī)格參數(shù)見下表：兩款900VFET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900VGaNFET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。Transphorm900VGaNFET的評估套件使用3.5千瓦DC-AC逆變器，產品代碼為TDINV35