氮化鎵技術(shù)簡介

逍遙設(shè)計自動化

基本概述
氮化鎵（GaN）技術(shù)在電力電子領(lǐng)域帶來了進步，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]。
/ Q, W& g+ `/ P; C. |  i4 U0 n
材料特性對比
) ?" v8 R- m5 t: e' w: b
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比，突顯了GaN在電力電子應(yīng)用中的優(yōu)越特性。


* ?" \( W* R, j7 x: [  S5 Y2 [圖2顯示了GaN技術(shù)的理論性能極限和當前實現(xiàn)的性能水平，展示了未來發(fā)展的巨大潛力。
$ f6 d* N- R! Q) o' I% _- Y- q
禁帶特性
- n" d! a3 O3 W; b, c% [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，特別是在高頻開關(guān)和高溫運行方面。
3 U6 E' T6 v" M3 K; z( G
HEMT技術(shù)創(chuàng)新
6 g& S! U1 }/ I. l. xGaN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）這一獨特特征。這個2DEG層在漏極和源極之間形成低阻通路，實現(xiàn)了優(yōu)異的電子遷移率，達到2000 cm2/Vs，遠超硅的1500 cm2/Vs。

0 e/ y) t- I) X3 h6 g技術(shù)優(yōu)勢
- a2 N1 O9 [) ~# g2 ?! uGaN技術(shù)的優(yōu)越特性體現(xiàn)在以下幾個關(guān)鍵方面：

更高的擊穿場強：GaN的擊穿場強為3.5 MV/cm，遠超硅的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。

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

改進的散熱管理：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載，常常無需外部散熱器。

無反向恢復(fù)：GaN HEMT沒有固有的體二極管，消除了反向恢復(fù)損耗。這一特性使其特別適合無橋式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用。
[/ol]
1 o- a+ _( g. Z制造工藝
GaN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。

  G2 Q" Z# G# m" v! O應(yīng)用領(lǐng)域
GaN技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：
- ]6 Q& _" q( T, l# s2 w8 J

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

工業(yè)應(yīng)用：電機驅(qū)動、機器人和自動化系統(tǒng)利用GaN的快速開關(guān)能力。

消費電子：LED驅(qū)動器、電源適配器和無線充電系統(tǒng)利用GaN的小型化和高效特性。

; |- ?; Q5 @- D, F未來發(fā)展趨勢
GaN技術(shù)持續(xù)發(fā)展，有幾個發(fā)展方向：

在體GaN襯底上開發(fā)垂直GaN器件，有潛力實現(xiàn)超過1000V的電壓額定值

集成GaN功率器件與控制保護功能

開發(fā)先進封裝解決方案，改善散熱管理和降低寄生效應(yīng)

優(yōu)化適合GaN獨特特性的新型拓撲結(jié)構(gòu)和線路設(shè)計
- }9 W0 ?3 {! Y. |: |( L# |1 h# y[/ol]
發(fā)展動力
GaN技術(shù)的采用源于對能源效率、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。
! j' |7 N. V1 Y" `" i
1 @, W( Q; u! K! w3 e2 z# {技術(shù)挑戰(zhàn)
, ]$ ]$ Y: A& Z8 A( u/ mGaN技術(shù)的成功依賴于多個領(lǐng)域的持續(xù)改進：

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)計工具和應(yīng)用知識

表征和認證方法的標準化
) t5 v: Z" I# o[/ol]
參考文獻
1 W5 }# I  T$ u[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
END
  d3 ^' j3 q1 O9 ?6 M

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
% k8 P2 ]% E7 A( N# w. t
歡迎轉(zhuǎn)載

" N+ c% c& A, @4 k3 m* c! F轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
5 q& l1 Y+ x$ X3 ?
0 C$ Z/ T! I7 N! P

9 K& o( v" D: [# |
1 ]5 r, v/ d5 ?) W- z0 A: a' p
  o' D+ g. W3 s5 a5 ?關(guān)注我們
( F; j  S& O# u( n
7 w5 |1 I6 ^4 K8 |

, P* P' G' L: `( R( ]( j' O1 K

( `) l  M. X* o6 X, S) E

                     



關(guān)于我們：
+ R" K- c. b( k$ v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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(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)。

# \; l' O( Z6 ihttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）