淺析氮化鎵技術原理及技術突破路線

氮化鎵，化學式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導體。氮化鎵（GaN）技術并不是一種新的半導體技術，自1990年起就已經(jīng)常被用在發(fā)光二極管中，但成本昂貴。

從化學命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導體材料，也就是國內(nèi)常說的第三代半導體材料的一種，實際上市場關注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導體材料。

第三代半導體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。

GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構，而載流子濃度直接決定了半導體的導電能力。簡單的解釋就是氮化鎵比硅基半導體器件，可以在更高的溫度下工作。

氮化鎵技術的優(yōu)勢

氮化鎵作為第三代半導體，其原理于第一代半導體（Si）相似，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在以下三點：

1、高性能：具有高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕的優(yōu)點。熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，易就實現(xiàn)高工作脈寬和高工作比;

2、高可靠性：具有高溫結(jié)和高熱傳導率，能顯著提升器件在不同溫度下的適應性和可靠性;

3、低成本：優(yōu)良的材料性能意味著實現(xiàn)相同功能所需的材料越少，能夠有效降低成本。

氮化鎵晶體管結(jié)構原理

與硅材料的功率半導體不同，氮化鎵晶體管通過兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應形成的二維電子氣（2DEG）來導電，如圖所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導電，因此不存在硅MOSFET的少數(shù)載流子復合（即體二極管反向恢復）的問題。

圖：氮化鎵導電原理示意圖

圖所示的基本氮化鎵晶體管的結(jié)構是一種耗盡模式（depletion-mode）的高電子移動率晶體管（HEMT），這意味著在門極和源極之間不加任何電壓（VGS=0V）情況下氮化鎵晶體管的漏極和元件之間是導通的，即是常開器件。這與傳統(tǒng)的常閉型MOSFET或者IGBT功率開關都完全不同，對于工業(yè)應用特別是開關電源領域是非常難以使用的。為了應對這一問題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級聯(lián)（cascode）結(jié)構，二是采用在門極增加P型氮化鎵從而形成增強型（常閉）晶體管。兩者結(jié)構如圖5所示。

圖：兩種結(jié)構的氮化鎵晶體管

級聯(lián)結(jié)構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的硅MOSFET級聯(lián)在一起，該結(jié)構的好處是其驅(qū)動與傳統(tǒng)硅MOSFET的驅(qū)動完全相同（因為驅(qū)動的就是一個硅MOSFET），但是該結(jié)構也有很大的缺點，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向?qū)娏鲿r又存在體二極管的反向恢復問題。其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現(xiàn)的振蕩就是氮化鎵源極對門極的振蕩，由于此振蕩時不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開通和關斷的可能。最后由于是兩個功率器件級聯(lián)在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。

由于級聯(lián)結(jié)構存在以上問題，在功率半導體界氮化鎵晶體管的主流技術是增強型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管CoolGaN為例，其詳細結(jié)構如圖所示。

圖：CoolGaN結(jié)構示意圖

如圖所示，目前業(yè)界的氮化鎵晶體管產(chǎn)品是平面結(jié)構，即源極，門極和漏極在同一平面內(nèi)，這與與超級結(jié)技術（Super Junction）為代表的硅MOSFET的垂直結(jié)構不同。門極下面的P-GaN結(jié)構形成了前面所述的增強型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個p-GaN結(jié)構是為了解決氮化鎵晶體管中常出現(xiàn)的電流坍陷（Current collapse）問題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN產(chǎn)品的基材（Substrate）采用硅材料，這樣可以大大降低氮化鎵晶體管的材料成本。由于硅材料和氮化鎵材料的熱膨脹系數(shù)差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過渡層（Transition layers），從而保證氮化鎵晶體管在高低溫循環(huán)，高低溫沖擊等惡劣工況下不會出現(xiàn)晶圓分層等失效問題。

對于氮化鎵的應用，現(xiàn)在我們?nèi)ニ殉潆娖?，很?a target="_blank">品牌都能看到氮化鎵的身影。除了很多知名數(shù)碼配件品牌，還有很多手機廠商如華為、小米、努比亞等。

通過種種信息，我們應該都能發(fā)現(xiàn)，氮化鎵充電器目前已經(jīng)快要與普通充電器市場持平，而且，氮化鎵充電器是近幾年新開發(fā)出來的，從剛開始出現(xiàn)的30W到現(xiàn)在的140W、200W，相信未來還會有更多可能。

氮化鎵的未來

雖然說第三代半導體正處于發(fā)展初期，國內(nèi)和國際巨頭基本處于同一起跑線，這是中國追趕國外的契機。此外，第三代半導體工藝產(chǎn)線對設備要求低，所以第三代半導體工廠的投資額度大約只有第一代硅基半導體的五分之一，難點不在設備、不在邏輯電路設計，而在于工藝，而工藝開發(fā)具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低，這對于本土企業(yè)來說都是利好消息。

文章整合自每日財報、今日半導體、芯極速、智慧商系