氮化鎵技術(shù)簡(jiǎn)介

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

基本概述
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]。
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材料特性對(duì)比

6 t" ~1 v+ v" L; [7 q( }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。
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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。
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禁帶特性
4 }/ T* [" _- D, x9 ZGaN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。
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( I2 n- W( T7 yHEMT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)
( W3 y2 P7 v* T9 B- \% p( WGaN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。
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( q6 ^3 D7 V. b' n5 i  }% D" t" ]制造工藝
: e; W9 }# C' AGaN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。
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5 A" u7 N  N* I& f. Z6 R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。
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未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
+ x8 u+ N$ ~4 J/ A; v/ X7 iGaN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)
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6 j& P. c3 u2 E; _0 Z$ W. X發(fā)展動(dòng)力
/ u, v, ], v% e) YGaN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。

技術(shù)挑戰(zhàn)
% i; t. y  j4 x0 g/ n- _) VGaN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
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參考文獻(xiàn)
[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
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