氮化鎵技術(shù)簡(jiǎn)介

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

基本概述
1 _& N: y: t; \+ t) y/ E氮化鎵（GaN）技術(shù)在電力電子領(lǐng)域帶來(lái)了進(jìn)步，與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，具有更優(yōu)越的性能特征。本文探討GaN技術(shù)的基本原理、發(fā)展歷程及在現(xiàn)代電子工程中的重要性[1]。

% p: v' A9 t# `1 J" _1 M0 E. H材料特性對(duì)比
, r; O1 s/ V, p) ~; `; {
1 _) A. D! a  g/ K圖1展示了硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）三種材料特性的全面對(duì)比，突顯了GaN在電力電子應(yīng)用中的優(yōu)越特性。


7 ]5 Z  [* C! Q, E: H圖2顯示了GaN技術(shù)的理論性能極限和當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的性能水平，展示了未來(lái)發(fā)展的巨大潛力。
) {, Y% l  C2 Y: {8 D  u! l
禁帶特性
GaN屬于寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體家族，其電子能帶隙顯著大于1電子伏特（eV）。GaN的禁帶寬度為3.4 eV，約為硅（1.1 eV）的三倍，使其能在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行。這種更寬的禁帶寬度在電力電子應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越性能，特別是在高頻開(kāi)關(guān)和高溫運(yùn)行方面。
/ Q; |/ j' v# H8 [
* H- i! w6 w- P9 A  }HEMT技術(shù)創(chuàng)新
GaN技術(shù)最顯著的創(chuàng)新是高電子遷移率晶體管（HEMT）。GaN HEMT利用了在GaN和氮化鋁鎵（AlGaN）界面形成的二維電子氣（2DEG）這一獨(dú)特特征。這個(gè)2DEG層在漏極和源極之間形成低阻通路，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電子遷移率，達(dá)到2000 cm2/Vs，遠(yuǎn)超硅的1500 cm2/Vs。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)
GaN技術(shù)的優(yōu)越特性體現(xiàn)在以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：

更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)：GaN的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.5 MV/cm，遠(yuǎn)超硅的0.23 MV/cm。這一特性使GaN器件能在更小的尺寸下承受更高的電壓。

增強(qiáng)的開(kāi)關(guān)性能：GaN能實(shí)現(xiàn)超過(guò)100 V/ns的轉(zhuǎn)換率，顯著減少開(kāi)關(guān)損耗。這一能力在高頻應(yīng)用中尤其重要。

改進(jìn)的散熱管理：雖然GaN的熱導(dǎo)率（1.3 W/cm K）與硅（1.5 W/cm K）相近，但其更高的效率降低了熱負(fù)載，常常無(wú)需外部散熱器。

無(wú)反向恢復(fù)：GaN HEMT沒(méi)有固有的體二極管，消除了反向恢復(fù)損耗。這一特性使其特別適合無(wú)橋式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用。
[/ol]
% s# V3 A0 \/ T5 D: D制造工藝
* p4 v8 B/ @- c1 l  oGaN器件的制造技術(shù)主要有兩種方法：硅基氮化鎵（GaN-on-Si）和碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）。由于成本效益和與現(xiàn)有硅制造基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，GaN-on-Si技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。但這種技術(shù)面臨晶體缺陷的挑戰(zhàn)，通常缺陷密度在108-1010/cm2。

應(yīng)用領(lǐng)域
GaN技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：

電力轉(zhuǎn)換：GaN提升了數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和電信設(shè)備電源的效率。

汽車電子：電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換模塊受益于GaN的高頻運(yùn)行和高效率。

工業(yè)應(yīng)用：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)利用GaN的快速開(kāi)關(guān)能力。

消費(fèi)電子：LED驅(qū)動(dòng)器、電源適配器和無(wú)線充電系統(tǒng)利用GaN的小型化和高效特性。
: [, K, `' c$ |" h# X) O
4 P2 U5 r5 k& U未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
GaN技術(shù)持續(xù)發(fā)展，有幾個(gè)發(fā)展方向：

在體GaN襯底上開(kāi)發(fā)垂直GaN器件，有潛力實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000V的電壓額定值

集成GaN功率器件與控制保護(hù)功能

開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝解決方案，改善散熱管理和降低寄生效應(yīng)

優(yōu)化適合GaN獨(dú)特特性的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路設(shè)計(jì)
[/ol]
/ s; {$ Z: c0 ~8 @/ R4 J發(fā)展動(dòng)力
GaN技術(shù)的采用源于對(duì)能源效率、功率密度和系統(tǒng)小型化的需求。隨著技術(shù)成熟和制造成本下降，GaN器件將在更多應(yīng)用領(lǐng)域替代硅基解決方案。
9 k3 n+ Q6 o; ^" X9 `9 l
% ^! P6 J  R4 Z! Q4 s1 c8 y技術(shù)挑戰(zhàn)
& F4 I5 n8 \, x0 m' T3 }5 FGaN技術(shù)的成功依賴于多個(gè)領(lǐng)域的持續(xù)改進(jìn)：

材料質(zhì)量和缺陷減少

器件可靠性和穩(wěn)健性

具有成本效益的制造工藝

設(shè)計(jì)工具和應(yīng)用知識(shí)

表征和認(rèn)證方法的標(biāo)準(zhǔn)化
5 e( [6 O% C9 j. W# C[/ol]
0 c: o. p! k/ Z8 }3 C3 O參考文獻(xiàn)
7 B: _8 Y& J( U6 ^. y1 x9 d& K4 F4 _[1] D. Chowdhury, "Introduction to GaN Technology," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, M. Di Paolo Emilio, Ed. Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 1, pp. 1-11. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_1
( B7 Q: V0 A# A! y9 \END
) S: m& E* F- [; x4 N) n# K5 P

9 O- w6 L) m# d) Z) l% Z9 R7 s軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
  c9 Q+ v/ }0 i- m4 g/ ?點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

9 B+ T/ j0 ]2 ?9 _5 g歡迎轉(zhuǎn)載
! m" D7 D- p3 q" F: j: J
/ h% |7 y+ o* _# C/ R8 W* l  b轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
+ d* d% {) R, `/ e' z+ h
: h$ o5 o  s$ w& e  B% m1 |6 j

- P- ]3 Z& B- W5 ?/ P& W# p
: Z- q2 T; Q. c
, `3 I6 ]* ^& \關(guān)注我們
- s' B: R- b: I! |) K7 i- K

2 G9 T% e* P, @2 R2 \+ Z# _/ N / U% t# D5 m3 K9 m8 G5 n6 _8 `

                     
' H0 d  u; [' M, A
; s6 _0 l7 a+ V/ d9 @( _$ p
3 }8 G+ m; E" A* V' d% p
關(guān)于我們：
# }; ], T+ M/ I* {' _; V- ^. M深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

% g" x" W- Y( ?+ k1 Ghttp://www.latitudeda.com/
5 I5 t- g4 H, g- \  l4 l（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）