什么是硅基氮化鎵？

氮化鎵（GaN）是一種非常堅硬、機械穩(wěn)定的寬帶隙半導體?；贕aN的功率器件具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的導熱性和更低的導通電阻，其性能明顯優(yōu)于硅基器件。氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。通過在硅上生長GaN外延層，可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎設施，而無需昂貴的專業(yè)生產(chǎn)站點，并以低成本利用現(xiàn)成的大直徑硅晶圓。

GaN用于生產(chǎn)半導體功率器件以及射頻元件和發(fā)光二極管（LED）。GaN已經(jīng)證明了在功率轉換、射頻和模擬應用中成為硅半導體位移技術的能力。

什么是氮化鎵HEMT？

高電子遷移率晶體管（HEMT）是使用二維電子氣體（2DEG）的晶體管，該氣體由具有不同帶隙的兩種材料之間的結產(chǎn)生。與同類硅基解決方案相比，氮化鎵（GaN）基HEMT具有更快的開關速度、更高的導熱性和更低的導通電阻。這些特性允許GaN晶體管和集成電路用于電路中，以提高效率，縮小尺寸并降低各種功率轉換系統(tǒng)的成本。

自一百多年前電子時代開始以來，電源設計工程師一直在尋找理想的開關，一種能夠快速有效地將原始電能轉換為受控的有用電子流的開關。首先是真空管，但效率低下，正如它們產(chǎn)生的熱量所證明的那樣，它們的大尺寸和高成本限制了它們的最終使用。接下來，在50年代后期，晶體管獲得了廣泛使用;憑借其小尺寸和更高的效率，它們似乎是“圣杯”，并迅速取代了真空管，同時創(chuàng)造了真空管技術無法觸及的巨大新市場。

硅晶體管和電子時代

硅迅速成為半導體晶體管的首選材料，不僅因為它從根本上優(yōu)越的電氣性能，而且它的生產(chǎn)成本也遠低于真空管。硅晶體管以及隨后的集成電路的迅速崛起在整個1970年代和1980年代持續(xù)?！澳柖伞薄缶w管的性能翻一番，成本降低大約每18個月一次，創(chuàng)造了具有更高性能和更低成本的新產(chǎn)品的同步鼓聲，讓消費者滿意。而且，對于功率轉換，硅基功率MOSFET是這種上升的核心。

與真空管一樣，硅功率MOSFET現(xiàn)在已經(jīng)走到了盡頭，以持續(xù)不斷下降的成本提供更好的性能。幸運的是，對具有無限快開關速度、無電阻和低成本的理想開關的追求并沒有放緩，并且出現(xiàn)了用于構建高性能功率轉換晶體管和集成電路的新基礎材料。

氮化鎵半導體的興起

將電子性能提升到一個新的水平并重新激活摩爾定律的積極勢頭的主要候選者是氮化鎵。GaN傳導電子的效率比硅高1000倍以上，同時能夠以比硅更低的成本制造，現(xiàn)在已經(jīng)得到很好的證實。硅已經(jīng)耗盡氣體，一種新的、性能更高的半導體材料正在出現(xiàn)——GaN正在崛起。

幸運的是，生產(chǎn)GaN器件的成本本質(zhì)上低于生產(chǎn)MOSFET器件的成本，因為GaN器件是在目前生產(chǎn)傳統(tǒng)硅半導體的同一工廠使用標準硅制造程序生產(chǎn)的，并且對于相同的功能性能，由此產(chǎn)生的器件要小得多。由于單個器件比硅器件小得多，因此每個晶圓可以生產(chǎn)更多的GaN器件，從而形成了GaN器件的制造成本始終低于硅器件的情況。隨著氮化鎵技術的進步，成本差距越來越大。

氮化鎵是如何工作的？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導體，用于高效功率晶體管和集成電路。通過在GaN晶體頂部生長一層薄薄的氮化鋁鎵（AlGaN），在界面處產(chǎn)生應變，誘導補償二維電子氣體（2DEG）該2DEG用于在施加電場時有效地傳導電子。這種2DEG具有高導電性，部分原因是電子被限制在界面處的非常小的區(qū)域。這種限制將電子的遷移率從非應變GaN中的約1000 cm2/V·s增加到2DEG區(qū)域的1500至2000 cm2/V·s。這種高遷移率生產(chǎn)的晶體管和集成電路具有比同類硅解決方案更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的導熱性和更低的導通電阻。

氮化鎵時代正在進行中

隨著氮化鎵材料使晶體管和IC性能的提高成為可能，現(xiàn)在是創(chuàng)新電源設計工程師利用氮化鎵屬性的時候了：

導通電阻更低，電導損耗更低

更快的器件產(chǎn)生更少的開關損耗

電容更小，充電和放電設備損耗更小

驅(qū)動電路所需的功率更低

更小的設備在印刷電路板上占用更少的空間

成本更低

審核編輯：湯梓紅