功率器件的利器 GaN

　　GaN是什么?

　　什么是GaN?GaN中文名：氮化嫁，用化學(xué)元素來解釋就是V族化合物。六方晶系鉛鋅礦型結(jié)構(gòu)，為直接帶隙半導(dǎo)體。室溫禁帶寬度3.39eV。電子和空穴有效慣性質(zhì)量分別為0.19和0.6。電阻率>107Ω·m，電子遷移率 (1.25～1.50)×10-2m2/(V·s)。采用化學(xué)氣相淀積法制備。

　　GaN材料的研究與應(yīng)用是全球半導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好(幾乎不被任何酸腐蝕)等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

　　GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。工程師用GaN材料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(MODFET)等新型器件。GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

　　GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復(fù)蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，GaN LED的應(yīng)用已經(jīng)普遍，您每天都可能會見到它的身影，在交通信號燈里、彩色視頻廣告牌上、小孩的玩具中、甚至閃光燈里。GaN LED的成功不僅僅引發(fā)了光電行業(yè)中的革命。它還幫助人們投入更多的資金和注意力來發(fā)展大功率高頻率GaN晶體管。

　　GaN半導(dǎo)體

　　氮化鎵晶體管可耐受極度高溫，并且其頻率和功率特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅、砷化鎵、碳化硅、以及迄今為止所制造的所有半導(dǎo)體器件。此類器件的頻率和功率處理能力對于為技術(shù)領(lǐng)域帶來革命的高級通信網(wǎng)絡(luò)中的放大器、調(diào)制器和其它關(guān)鍵器件非常重要。無線網(wǎng)絡(luò)基站就是一個很好的例子。

　　未來的無線網(wǎng)絡(luò)可使人們利用手機(jī)、PDA或其它便攜式設(shè)備訪問可支持視頻或高質(zhì)量音頻應(yīng)用的高速數(shù)據(jù)流。然而，如何使手機(jī)基站中的放大器能夠處理未來任何人都可隨時隨地下載全動感視頻數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的巨大數(shù)字流還是一個問題。目前，手機(jī)基站中的放大器已經(jīng)接近其性能極限?，F(xiàn)有放大器采用的是效率只有10%的硅芯片技術(shù)，這意味著到達(dá)晶體管的能量中有90%以熱量的形式浪費(fèi)了。強(qiáng)力的風(fēng)扇必須不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)以將放大器產(chǎn)生的這些熱量帶走。此外，還需要復(fù)雜的電路來校正諧波和其它失真。

　　氮化鎵(GaN)晶體管可將基站放大器的效率提高到現(xiàn)在的兩倍或三倍，因此可以用較少數(shù)量的基站覆蓋同樣的地區(qū)，或者，更可能的情況是，在基站數(shù)量不變的情況下提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于不再需要強(qiáng)力風(fēng)扇和校正電路，整個基站有可能縮小到只有小型電冰箱的大小，可以安裝在電線桿上，而不必占據(jù)電話公司中心局中昂貴的空間。

　　這一速度、高功率和耐熱性能的組合還使GaN晶體管適合無數(shù)的其它應(yīng)用。例如，汽油電力混合汽車需要用電路將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動電機(jī)的交流電。GaN晶體管對此類電路非常理想。

　　氮化鎵的與眾不同之處在于它結(jié)合了碳化硅的高擊穿場強(qiáng)和砷化鎵、鍺硅或磷化銦材料的高頻率特性。當(dāng)然對于半導(dǎo)體而言，性能和成本將決定最終的贏家。目前在兩方面GaN都還有許多可以改善的空間。

　　GaN功率器件

　　如果想在功率應(yīng)用上使用GaN技術(shù)，必須先選擇一種基片來形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍(lán)寶石晶圓，它們在成本、供應(yīng)量及尺寸方面都有缺點(diǎn)。雖然從前硅是最吸引的低成本基片，但使用也有困難，例如會形成瑕疵及變形。因?yàn)榛c外延膜之間在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面本質(zhì)上不匹配，所以要完成可靠且有高品質(zhì)的硅基片GaN異質(zhì)外延工藝程序一向都很困難。工程人員非常努力地尋找能夠解決這些問題的控制程序和方法，最終開發(fā)了一種擁有低不良率，高一致性及器件可靠性的外延膜。

　　與傳統(tǒng)硅基功率器件相比，基于GaN的功率器件具有導(dǎo)通電阻低和能夠進(jìn)行高頻操作等特性。而這些特性恰恰有利于提高電源單元轉(zhuǎn)換效率，并使電源單元更加緊湊。富士通半導(dǎo)體計劃在硅基板上進(jìn)行GaN功率器件的商業(yè)化，從而可以通過硅晶圓直徑的增加，來實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)。按照此目標(biāo)，富士通半導(dǎo)體自2009年起就在開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)。此外，富士通半導(dǎo)體自2011年起開始向特定電源相關(guān)合作伙伴提供GaN功率器件樣品，并對之進(jìn)行優(yōu)化，以便應(yīng)用在電源單元中。現(xiàn)在，富士通半導(dǎo)體于2013年量產(chǎn)GaN功率器件也是受到了市場影響以及GaN本身的優(yōu)越性。

　　2012年底，富士通半導(dǎo)體開始與富士通研究所 (Fujitsu Laboratories Limited) 合作進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，包括開發(fā)工藝技術(shù)來增加硅基板上的高質(zhì)量GaN晶體數(shù)量;開發(fā)器件技術(shù)，如優(yōu)化電極的設(shè)計，來控制開關(guān)期間導(dǎo)通電阻的上升;以及設(shè)計電源單元電路布局來支持基于GaN的器件的高速開關(guān)。這些技術(shù)開發(fā)結(jié)果使富士通半導(dǎo)體在使用GaN功率器件的功率因數(shù)校正電路中成功實(shí)現(xiàn)了高于傳統(tǒng)硅器件性能的轉(zhuǎn)換效率。富士通半導(dǎo)體還設(shè)計了一種具有上述功率因數(shù)校正電路的服務(wù)器電源單元樣品，并成功實(shí)現(xiàn)了2.5kW的輸出功率。

　　2013年富士通半導(dǎo)體又推出基于硅襯底的氮化鎵(GaN)功率器件芯片MB51T008A，該芯片可耐壓150 V。該產(chǎn)品初始狀態(tài)是斷開(Normally-off)，相比于同等耐壓規(guī)格的硅功率器件，品質(zhì)因數(shù)(FOM)可降低近一半。基于富士通半導(dǎo)體的GaN功率器件，用戶可以設(shè)計出體積更小，效率更高的電源組件，可廣泛的運(yùn)用于ICT設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子等領(lǐng)域。

　　上面也提到過GaN的諸多優(yōu)點(diǎn)，而MB51T008A本身也具有很多功率器件的優(yōu)點(diǎn)，包括：1)導(dǎo)電阻13 mΩ，總柵極電荷為16 nC，使用相同的擊穿電壓，實(shí)現(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)(FOM)大約是基于硅的電源芯片產(chǎn)品的一半;2)使用WLCSP封裝，最小的寄生電感和高頻率操作;3) 專有的柵極設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)默認(rèn)關(guān)閉狀態(tài)，可進(jìn)行常關(guān)操作。新產(chǎn)品是數(shù)據(jù)通信設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品和汽車電源中使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器的高邊開關(guān)和底邊開關(guān)的理想選擇。此外，由于其支持電源電路中更高的開關(guān)頻率，電源產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)整體尺寸縮小和效率的提高。

　　除了提供150 V的耐壓值產(chǎn)品，富士通半導(dǎo)體還開發(fā)了耐壓為600 V 和 30 V的產(chǎn)品，從而有助于在更寬廣的產(chǎn)品領(lǐng)域提高電源效率。這些GaN功率器件芯片采用富士通研究所自20世紀(jì)80年代來牽頭開發(fā)的HEMT (高電子遷移率晶體管)技術(shù)。富士通半導(dǎo)體在GaN領(lǐng)域擁有大量的專利技術(shù)和IP，可迅速將GaN功率器件產(chǎn)品推向市場。富士通半導(dǎo)體還計劃與客戶在各個行業(yè)建立合作伙伴關(guān)系，以進(jìn)一步拓展業(yè)務(wù)。