What is Gallium Nitride (GaN)

什么是氮化镓(GaN)?

Gallium Nitride GaN

什麼是矽基氮化鎵?

氮化鎵(GaN)是一種非常堅硬且在機械方面非常穩定的寬能隙半導體材料。 由於具有更高的擊穿強度、更快的開關,更高的熱導率和更低的導通電阻,氮化鎵基功率元件明顯比矽基元件更優越。 氮化鎵晶體可以在各種基板上生長,包括藍寶石、碳化矽(SiC)和矽(Si)。 在矽上生長GaN外延層可以使用現有的矽製造基礎設施,從而無需使用高成本的特定生產設施,而且以低成本採用大直徑的矽晶片。

氮化鎵用於製造半導體功率元件,也可以用於製造射頻元件和發光二極體(LED)。 氮化鎵技術展示出它可以在功率轉換、射頻及模擬應用中,替代矽基半導體技術。

什麼是高電子遷移率電晶體?

高電子遷移率電晶體(HEMT)使用二維電子氣(2DEG),由不同能隙的兩種材料之間的結點構成。與等效矽基解決方案相比,氮化鎵基HEMT的開關更快、熱導率更高和導通電阻更低,從而允許在電路中採用氮化鎵電晶體和積體電路以提高效率、縮小尺寸並降低各種電源轉換系統的成本。

在一百多年以前,當電子時代露出曙光時,功率設計工程師一直努力尋求最理想的開關 -- 支援快速、高效電源轉換的開關,能夠把原始電能轉換成受控、有用的流動電子。首先出現的是真空管技術。可是,由於它產生大量的熱量,所以能效低,而且體積大和成本高昂,使得它的應用受限。隨後在50年代,電晶體被廣泛地應用,它的小尺寸及具備較高效率的優勢,使得它成為行業的“聖物”(holy grail),以及很快地替代了真空管而同時推動了龐大的、全新的市場發展,這是真空管技術所無法實現到的。

Inefficient vacuum tubes

矽基電晶體及電子時代的來臨

矽材料很快便成為製造半導體電晶體的首選材料。這不獨是因為它本質上具備卓越的電氣特性,其生產成本也較真空管為低。此後,於70及80年代,矽基電晶體及隨後的積體電路均發展迅猛。摩爾定律的規律是電晶體的性能大約於18個月之間得以翻倍,而同時其製造成本也會降低,驅使行業得以推出具備更高性能及更低成本的全新產品,從而深受客戶歡迎。在功率轉換中,矽基功率MOSFET元件實踐了這個定律而成為矽基電晶體得以蓬勃發展的主要因素。

就像真空管技術一樣,矽基功率MOSFET一直以來的發展 – 實現更高的性能及更低的價格 - 已經到了極限。幸運的是,市場一直要求具有極快速的開關、沒有電阻、更低的成本等優勢的理想開關,而且可製造高性能功率轉換電晶體及積體電路的全新材料也推陳而出新。

Surface Mount Device Packages

氮化鎵半導體的快速發展

把電子性能提升至另一個更高的水準及使得摩爾定律復活的領先侯選原材料,就是氮化鎵材料。目前已經被證實,與矽基元件相比,氮化鎵器件傳導電子的效率可以高出1000倍,而同時比矽基元件的製造成本較低。矽基元件的技術發展已經到了極限,而一種新興並具備較高性能的半導體材料正在冒起 - 氮化鎵材料。

48 V DC Systems

幸運的是,製造氮化鎵元件的成本比製造MOSFET元件的成本為低,這是由於我們在目前用來製造傳統矽基半導體的相同工廠中,採用製造矽元件的標準步驟來製造氮化鎵元件,從而使得具有相同性能的氮化鎵元件的體積可以細小很多。由於每個氮化鎵元件都比矽基元件細小很多,因此每塊晶圓可以產出更多的氮化鎵元件,這樣,與等效矽基元件相比,製造氮化鎵元件的成本就總是更低。當氮化鎵技術繼續得以提升時,它與矽基元件的成本差距,將進一步擴大。

GaN vs silicon cost comparison

氮化鎵器件如何工作?

氮化鎵(GaN)是一種寬能隙半導體,用於高效功率電晶體和積體電路。在GaN晶體的頂部生長氮化鋁鎵(AlGaN)薄層並在介面施加應力,從而產生二維電子氣(2DEG)。2DEG用於在電場作用下,高效地傳導電子。2DEG具有高導電性,部份原因是由於電子被困在介面處的非常細小的區域,從而將電子的遷移率從未施加應力前約1000 平方釐米/ V·s,增加到2DEG區域中的1500至2000 平方釐米 / V·s。與矽基解決方案相比,氮化鎵電晶體及積體電路具有的高電子遷移率,可實現更高的擊穿強度、更快的开关、更高的導熱率和更低的導通電阻。

氮化鎵時代正在不斷邁步向前

氮化鎵材料推動具備更高性能的電晶體及積體電路的出現,目前是勇於創新的功率設計工程師的最佳時機,於他們的設計中,發揮氮化鎵元件的各種優勢,包括:

  • 更低的導通電阻,從而實現更低的傳導損耗
  • 更快速開關的元件可以實現更低的開關損耗
  • 更小的電容在對元件進行充電及放電時,可實現更低的損耗
  • 需要更少的功率來驅動電路
  • 更細小的元件可以減小解決方案於印刷電路板上的佔板面積
  • 更低的成本

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