GaNext深度解析氮化镓系列一「何为氮化镓？」

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2022-11-04 15:54:46 889

氮化镓材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，它具有能量带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）和抗辐照能力强等性质，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景，被奉为半导体界有巨大突破和创新的第三代半导体之一，那么到底什么是氮化镓呢？我们今天就揭开氮化镓的神秘面纱，请保持好奇心，听我娓娓道来！

一、氮化镓之起源

氮化镓，化学式GaN，由镓（原子序数 31）和氮（原子序数 7）结合而来的化合物：

GaN晶体属于超级稳定的纤维锌矿晶格类型的六方晶系（GaN晶体材料有六方纤锌矿结构和立方闪锌矿两种不同的结构，其中，纤锌矿结构是氮化物半导体最常见的结构，也是热力学稳态结构，而闪锌矿结构则是亚稳态结构并不适合制作功率器件），GaN在1050℃开始分解；GaN不被冷水或热水、盐酸、硝酸和硫酸，亦或是冷的40%HF所分解；其在冷的浓碱中也是稳定的。

通常，Ga面极性的GaN 晶体是通过有机金属化合物化学气相淀积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）生长，而 N 面极性的 GaN 晶体是通过分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）在一定的条件下获得。

GaN 的物理材料特性：

二、GaN发展历史

GaN因成为PD快充小型化的黑科技而被公众所熟知，但GaN器件因其*的物理材料特性以及超级稳定的化学结构，早已在其他应用领域中默默奉献了数十载。

自从1928年，Johason等人*合成了GaN，1960年才生长出单晶薄膜，直到1993年，美国南卡莱罗纳大学的Khan成功地在蓝宝石衬底上制造出*AlGaN/GaN HEMT。截止目前，其发展历程总结归纳为三个里程碑时期：

三、目前GaN应用的三大领域

LED照明、GaN射频器件、GaN功率器件

LED：自从1991年日本研制出同质结GaN蓝光 LED之后，GaN已是现今半导体照明中蓝光发光二极管的核心材料，被广泛应用到照明、显示等领域。

GaN射频器件：与Si、GaAS相比，GaN微波射频器件具有高输出功率、高效率、高频率、大带宽、可高温环境工作、抗辐照能力强等优良特性，是迄今为止100GHz范围内最为理想的微波功率器件，因此在军事、通讯和太空领域应用广泛。如今，反弹道导弹雷达和美国空军用来追踪空间碎片的雷达系统“太空篱笆”也使用了GaN射频器件。

GaN功率器件：GaN器件最初被开发用于射频应用，随着材料和器件制造技术的进步，GaN 功率器件开始成为Si功率器件的潜在替代品，目前已实现650V、900V电压级别的工业化及商业化应用。

在介绍GaN器件的发展历程中，不得不提GaNext的创始人——吴毅锋博士，他几乎伴随、引领并推动了整个GaN器件行业的发展历程。在GaN射频器件和功率器件潜心耕耘近30年，他是GaN射频器件功率密度的*纪录保持者，并率先攻克了GaN高压功率器件设计和量产难题，成功开发并量产全球首批650V和900V商用GaN功率器件。

前后发明原始专利112项，发表专业科技文章250余篇，文章被引用超过17,000次。吴博士因此也当选IEEE Fellow（国际电气电子工程师协会会士），是GaN产业界*一位Fellow。

非常感谢吴毅锋博士把先进的GaN技术和经验带回国，也相信拥有国际*的GaN技术以及本土化的生产及营销模式的GaNext（珠海镓未来科技有限公司）可以更好的服务国内各行业客户。

四、GaN功率器件和Si MOSFET

到底有和不同？

GaN 功率器件的结构图

N型Si MOSFET 的结构

GaN功率器件是通过二维电子气（2DEG）来实现导通的，而MOSFET则是通过反型层沟道实现导通。由于2DEG具有更高的电子密度和电子迁移率，因此，GaN功率器件具有更低的Rds(on) 和Coss，即导通损耗和开关损耗有很大改善，尤其在高频工作模式下尤为显著。

也因栅极下方存在二维电子气沟道的缘故，GaN 器件的天性就是在Gate极在未施加电压时，器件处于导通状态，即Normally on——常开型。常开型模式对于GaN射频器件影响不大，但做为功率器件是无法被接受的，因此市场上出现了不同的技术路线把Normally on的模式变成Normally off的模式，在下期会着重介绍GaN 功率器件的不同技术路线。

五、那么何为二维电子气？

二维电子气导电会带来哪些益处？

2DEG一般容易在异质结构中获得，目前主流的异质衬底功率器件均采用AlGaN/GaN结构，通过异质结处产生的两种不同禁带宽度材料极化效应在交界面的压电效应，故而形成2DEG导电。

再通俗易懂些，即可理解为：

AlGaN/GaN异质结是GaN功率器件特有的结构。极化效应（自发极化/压电极化）显著调制了 AlGaN/GaN异质结的能带结构和载流子分布，即将AlGaN/GaN异质结处的GaN导带拉低至费米能级之下，同时宽带隙AlGaN一侧的高势垒，使得电子很难逾越至势阱外，最终使得电子被束缚在 AlGaN/GaN异质结界面靠近GaN一侧的“三角形”电子势阱中，从而实现高密度、高电子迁移率、高电子饱和速度的二维电子气。

二维电子气导电的优势：二维电子气沟道导电性极强，因此GaN功率器件可实现低导通/开关损耗、高工作频率和高功率密度等特性。

六、GaN功率器件

杰出的反向恢复特性

GaN器件与传统的Si MOS不同，由于其不存在PN结，所以几乎不存在反向恢复电荷Qrr ，使得开关损耗显著减小。而Si MOSFET由于存在体二极管，正向导通模式时存储了大量少数载流子，而少数载流子使得Si MOSFET的反向恢复特性很差，需要很大的反向恢复电荷和时间来中和少数载流子。

1).GaN功率器件 vs Si MOSFET

Si MOSFET的Qrr是GaNext的GaN FET的28.6倍。在排除Qoss之后，GaN反向恢复电荷Qrr为零，因此非常适合电流连续模式硬开关电路，比如图腾柱无桥PFC、高压同步整流等。可以进一步提高开关频率，减少磁性器件的体积，从而提升功率密度。

2). GaN另一个特点是反向恢复特性稳定，不随温度变化。

将器件结温由25°C室温加热至125°C高温的过程中，反向恢复电流始终保持恒定。与之相反，Si MOSFET的反向恢复电流在125°C时增长超过一倍。因此，GaN在高温下依然能够表现出优异的开关性能，这保证了GaN功率器件在不同温度、电流以及开关速度下均能保持极小的开关损耗，有助于GaN应用于不同的领域。