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(lái)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(chǎng)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)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(zhǎng)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(wèn)世。目前，GaN LED的應(yīng)用已經(jīng)普遍，您每天都可能會(huì)見(jiàn)到它的身影，在交通信號(hào)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(lái)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(duì)于為技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)革命的高級(jí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站就是一個(gè)很好的例子。

　　未來(lái)的無(wú)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(wèn)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(lái)任何人都可隨時(shí)隨地下載全動(dòng)感視頻數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的巨大數(shù)字流還是一個(gè)問(wèn)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(lái)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(gè)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(wú)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(dòng)電機(jī)的交流電。GaN晶體管對(duì)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(chǎng)強(qiáng)和砷化鎵、鍺硅或磷化銦材料的高頻率特性。當(dāng)然對(duì)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(lái)形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍(lán)寶石晶圓，它們?cè)诔杀?、供?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(huì)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(wèn)題的控制程序和方法，最終開(kāi)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(jì)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(guò)硅晶圓直徑的增加，來(lái)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(kāi)發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)。此外，富士通半導(dǎo)體自2011年起開(kāi)始向特定電源相關(guān)合作伙伴提供GaN功率器件樣品，并對(duì)之進(jìn)行優(yōu)化，以便應(yīng)用在電源單元中?，F(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(chǎng)影響以及GaN本身的優(yōu)越性。

　　2012年底，富士通半導(dǎo)體開(kāi)始與富士通研究所 (Fujitsu Laboratories Limited) 合作進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，包括開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)來(lái)增加硅基板上的高質(zhì)量GaN晶體數(shù)量;開(kāi)發(fā)器件技術(shù)，如優(yōu)化電極的設(shè)計(jì)，來(lái)控制開(kāi)關(guān)期間導(dǎo)通電阻的上升;以及設(shè)計(jì)電源單元電路布局來(lái)支持基于GaN的器件的高速開(kāi)關(guān)。這些技術(shù)開(kāi)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(jì)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(kāi)(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?；诟皇客ò雽?dǎo)體的GaN功率器件，用戶可以設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)，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(kāi)關(guān)和底邊開(kāi)關(guān)的理想選擇。此外，由于其支持電源電路中更高的開(kāi)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(kāi)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(lái)牽頭開(kāi)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(chǎng)。富士通半導(dǎo)體還計(jì)劃與客戶在各個(gè)行業(yè)建立合作伙伴關(guān)系，以進(jìn)一步拓展業(yè)務(wù)。