碳化硅上的氮化鎵：襯底挑戰(zhàn)

無線通信可能始于 1990 世紀(jì)后期，但它直到 <> 年代才真正開始了一場連接革命，當(dāng)時商用 MOSFET 和射頻橫向擴散金屬氧化物 （LDMOS） 電路提供了急需的功率、效率和價格點。

這場革命通過2G，3G以及最近的4G蜂窩鏈路將我們在全球范圍內(nèi)連接起來，不僅攜帶語音，還攜帶大量信息，已經(jīng)導(dǎo)致每年在各種類型的設(shè)備之間傳輸1.5澤字節(jié)（ZB）的IP數(shù)據(jù)（根據(jù)思科的視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)）。

隨著各種設(shè)備開始聯(lián)網(wǎng)，對速度的需求正在推動行業(yè)走向5G，承諾更大的帶寬和更少的延遲。許多5G頻段所在的頻段對于基于硅（Si）的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件來說太具有挑戰(zhàn)性了。

用于高頻的氮化鎵

RF LDMOS之于早期蜂窩網(wǎng)絡(luò)，氮化鎵（GaN）之于現(xiàn)代和高頻應(yīng)用。與砷化鎵（GaAs）和Si LDMOS相比，GaN長期以來一直具有難以超越的優(yōu)勢：

電子遷移率明顯高于LDMOS。增加的電子遷移率可在更高的頻率下提供更多的增益和更高的效率。

擊穿電壓明顯高于砷化鎵和低密度計速。GaN的擊穿臨界電場估計超過4 MV / cm，Si的0.2 MV / cm和GaAs的0.4 MV / cm。GaN 在 28V 至 50V 的電源電壓下具有高可靠性和耐用性。

由于更好的熱傳導(dǎo)，減小了芯片尺寸。

高活化能使GaN器件能夠以更少的冷卻方式運行，并且無需昂貴且復(fù)雜的熱提取結(jié)構(gòu)。

高功率密度導(dǎo)致更低的電容和更高的阻抗，更容易匹配。

GaN HEMT特性非常適合預(yù)失真等線性化技術(shù)。

基板挑戰(zhàn)

向GaN的轉(zhuǎn)化正在進行中，但存在技術(shù)挑戰(zhàn)，包括生長GaN外延膜的困難。這是由于難以制造尺寸和純度的天然GaN基板以競爭用于同質(zhì)外延。因此，需要另一種底物 - 用于異型外延生長。

基材的選擇至關(guān)重要。這種材料不僅必須具有高導(dǎo)熱性，而且還必須與GaN的低晶格失配。

雖然公司已經(jīng)在硅、碳化硅（SiC）和金剛石襯底上制造了GaN器件，但目前只有SiC最能滿足所有要求。

碳化硅還是硅上的氮化鎵？

SiC緊密匹配的晶格結(jié)構(gòu)意味著GaN外延可以在其上生長，其位錯密度低于其他材料。這減少了泄漏并提高了可靠性。

另一方面，Si既不符合GaN的晶格結(jié)構(gòu)，也不符合熱性能。這會導(dǎo)致更高的缺陷密度以及由于翹曲而導(dǎo)致的可靠性和可制造性問題。為了克服這些問題，公司必須使用復(fù)雜的緩沖層和整體更復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)。

由于SiC與GaN一樣，具有比Si更好的導(dǎo)熱性，因此它可以有效地耗散高功率密度，以實現(xiàn)實際的漏極效率，從而防止由于自熱而導(dǎo)致的極端溝道溫度。SiC 和 Si 的導(dǎo)熱系數(shù)之間的差異是巨大的：430H 半絕緣 （SI） SiC 多型為 4 W/mK，而 Si 的導(dǎo)熱系數(shù)為 146 W/mK。這意味著，等效功率的硅基氮化鎵器件的芯片尺寸必須比SiC上的氮化鎵器件大約20%，以便分散熱負(fù)荷，即使硅襯底嚴(yán)重變薄也是如此。

此外，與SiC上的GaN相比，Si上的GaN容易隨著溫度的升高而性能下降。當(dāng)Si襯底加熱時，其電阻率顯著降低。低電阻率的襯底等同于較高的RF損耗，從而對RF性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

Si 襯底還具有比 SiC 襯底更高的寄生電容，這導(dǎo)致 Si 襯底具有更有限的工作帶寬。

GaN對SiC器件對總成本的影響，考慮到更高的效率、更好的高頻操作、更小的芯片尺寸以及空間和重量的節(jié)省，使其成為比硅上的GaN更具吸引力的解決方案。

審核編輯：郭婷