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    對于第三代半導(dǎo)體氮化鎵,你知道多少?
    華燊泰 | 2023-10-10

    氮化鎵(GaN)是一種非常堅硬且機械性能非常穩(wěn)定的寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于具有更高的擊穿強度、更快的開關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻,GaN基功率器件明顯優(yōu)于硅基器件。


    GaN晶體可以在各種襯底上生長,包括藍寶石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。在硅上生長氮化鎵外延層,可以利用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施,消除了對高成本的特定生產(chǎn)設(shè)施的需要,并以低成本使用大直徑硅芯片。


    氮化鎵用于制造半導(dǎo)體功率器件,也可用于制造射頻元件和發(fā)光二極管(LED)Keep Tops氮化鎵技術(shù)顯示其可在功率轉(zhuǎn)換、射頻和模擬應(yīng)用中取代硅基半導(dǎo)體技術(shù)。


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    什么是高電子遷移率晶體管。


    什么是高電子遷移率晶體管。使用二維電子氣(2 DEG),由兩種不同帶隙材料之間的結(jié)組成。與同等的基于硅的解決方案相比,GaNHE MT的開關(guān)速度更快,具有更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻,允許GaN晶體管和集成電路用于電路,以提高效率、縮小尺寸并降低各種電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本。


    一百多年前,在電子時代的黎明,電源設(shè)計工程師努力尋找理想的開關(guān)一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效功率轉(zhuǎn)換的開關(guān),將原始電能轉(zhuǎn)換成可控的、有用的流動電子。首先是真空管技術(shù)。


    而,由于其產(chǎn)生大量熱量而導(dǎo)致的能量效率較低,而且體積大、成本高,限制了它的應(yīng)用。然后在20世紀50年代,晶體管被廣泛使用。它的小體積和高效率使它成為工業(yè)界的“圣杯”,它迅速取代了真空管,同時推動了巨大的、全新的市場發(fā)展,這是真空管技術(shù)所不能實現(xiàn)的。


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    硅基晶體管與電子時代的到來。

     

    硅很快成為制造半導(dǎo)體晶體管的首選材料。這不僅是因為其固有的優(yōu)越的電氣特性,而且還因為它的生產(chǎn)成本比真空管。此后,在20世紀70年代和80年代,硅基晶體管和隨后的集成電路發(fā)展迅速。

     

    摩爾定律認為,晶體管的性能可以在18個月左右的時間內(nèi)提高一倍,與此同時,它們的制造成本也會隨之降低,推動業(yè)界不斷推出性能更高、成本更低的新產(chǎn)品,深受客戶歡迎。。功率轉(zhuǎn)換中,硅基功率MOSFET器件實踐了這一規(guī)律,成為硅基晶體管蓬勃發(fā)展的主要因素。

     

    像真空管技術(shù)一樣,硅基功率MOSFET已經(jīng)被推到了極限——以實現(xiàn)更高的性能和更低的價格。幸運的是,市場繼續(xù)要求理想的開關(guān)具有極快的開關(guān),無電阻,更低的成本等優(yōu)點,新材料推出,可以使高性能的功率轉(zhuǎn)換晶體管和集成電路。


    氮化鎵半導(dǎo)體的快速發(fā)展。

     

    把電子性能帶到另一個更高水平和恢復(fù)摩爾定律的主要候選材料是氮化鎵材料。已經(jīng)證明,GaN器件的電子傳導(dǎo)效率是硅基器件的1000倍,同時制造成本低于硅基器件。硅基器件的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了極限,一種性能更高的新型半導(dǎo)體材料正在興起——氮化鎵材料。

     

     

    氮化鎵器件的工作原理。

     

    氮化鎵是一種寬帶隙半導(dǎo)體,用于高效率功率晶體管和集成電路。氮化鋁鎵(AlGaN)的薄層生長在GaN晶體的頂部上,并在界面處施加應(yīng)力,導(dǎo)致在二維電子氣(2DEG)。2DEG用于在電場作用下有效地傳導(dǎo)電子。

     

    2 DEG具有很高的導(dǎo)電性,部分原因是由于電子在界面處被困在非常精細的區(qū)域,從而使電子的遷移率從無應(yīng)力作用前的1000 cm2/V S增加到2 DEG區(qū)的1500~15002000平方厘米/V·s

     

    與硅基解決方案相比,GaN晶體管和集成電路的高電子遷移率可實現(xiàn)更高的擊穿強度、更快的開關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻。


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