GaN

GaN功率器件调研

摘要：论文从研究背景、进展和行业动态三方面论述了发展GaN功率器件的可行性和意义。

关键词：GaN；功率器件

一、研究背景

目前绝大多数电力电子器件都是基于硅（Si）材料制作的，随着硅工艺的长足发展与进步，其器件性能在很多方面都逼近了极限值。因此，电力电子器件想要寻求更大的具有突破性的提高，需要更多关注新型半导体材料。

与其它半导体器件相比，电力电子器件需要承受高电压、大电流和高温，这就要求其制造材料具有较宽的禁带、较高的临界雪崩击穿场强和较高的热导率。新型氮化镓（GaN）基宽禁带半导体材料无疑成为制作高性能电力电子器件的优选材料之一。

几种主流半导体材料特性参数如表1所示。

表1主流半导体材料特性参数

材料 禁带宽度（eV） 相对介电常数 击穿电场（MV/cm） 饱和漂移速度（10值 热导率（W/cmK） 1.5 0.5 4.9 2.3 7Si 1.12 11.8 0.3 GaAs 1.42 12.8 0.4 4H-SiC 3.25 9.7 3 GaN 3.4 9 4 cm/s）峰1 1 2 3 （1）从表1中可以看出相比GaAs、Si等材料，GaN材料具有较大的禁带宽度。因此，GaN基材料在高温和高辐射的情况下本征激发载流子较少，这就使得用GaN材料制作的半导体器件的工作温度可以高于GaAS、Si等半导体材料的工作温度，这对于制作高温、大功率半导体器件有很大的优势。

（2）GaN材料具有很大的饱和电子迁移速度，GaN材料的饱和电子漂移速度峰值能够达到3×107cm/s，这个数值要远大于GaAs、Si、4H-SiC等半导体材

料。大饱和电子漂移速度保证了GaN器件具有非常好的载流子输运性质，这在制作高频微波电子器件方面，能够有非常广阔的应用前景。

（3）GaN材料具有高的击穿电压。Si和GaAs的临界击穿电场只有0.3MV/cm和0.4MV/cm，而GaN材料的临界击穿电压能够达到4MV/cm，这一性质使得GaN材料很适合做高压电子器件，能够非常优秀地足电力工业对高压二极管的广泛需求。

（4）GaN具有很低的介电常数。介电常数是器件电容荷载的量度，从表可以看出GaN的介电常数比Si、GaAs和4H-SiC都要小。介电常数低，单位面积的器件寄生电容小，因此对于同样的器件阻抗，介电常数小的材料可以使用的器件面积就大，这样就可以开发较高的RF功率水平。

（5）GaN材料有非常稳定的化学性质。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。室温下，GaN不溶于水、碱和酸，在温度比较高的碱中的溶解速度也非常慢，因此，化学性质非常稳定。而它的原子体积只有GaAs的一半，这就使得它的硬度非常高。

GaN材料凭借优越的材料特性，掀起国内外研究的热潮。

二、研究进展

进入21世纪以来，伴随着GaN半导体材料的衬底以及外延材料尺寸的不断扩大，材料体缺陷密度的不断降低以及芯片制造加工工艺的不断完善，GaN功率器件逐渐进入了市场化推广与商品化量产阶段。

在电力电子功率半导体领域，最早实现商业化GaN芯片生产的是美国Trasphorm公司。在2014年于美国召开的IEDM国际电子器件大会上，Transphorm公司推出的最新一代的600V器件，已经有效解决了之前一直为传统硅半导体器件供应商所诟病的电流崩塌问题。

除此之外，美国的宜普半导体(Efficient Power Conversion)公司，作为另一家最早实现氮化镓功率半导体器件商业化的成功初创公司，通过近十年的深入研发，已经实现了较为完整的低压功率氮化镓器件族群，其推出的商业化产品e-GaN器件，电压等级范围从30V-450V。

加拿大的GaN Systems公司，2014年11月推出其量产的功率GaN器件，成为了全球业界所广泛关注的焦点。该公司的产品设计，摆脱了传统功率半导体器

件的设计思路，采用了元胞岛技术替代了在平面型半导体器件中广泛应用的叉齿状布局，有效提升了器件的电流密度；采用了铜柱电极，有效降低了由于器件内部引线产生的各类寄生电感，此外还通过先进的芯片减薄工艺，将原本在氮化镓材料下方的较厚的硅衬底材料去除，并辅以高散热效率的贴片材料进行散热，以确保器件在高功率密度的开关动作中保持较好的散热效率。

日本半导体公司对于氮化镓基半导体器件的研发同样具有深厚的实力，包括丰田，松下，NEC，索尼，罗姆以及富士通在内的科技类公司均在进行相关技术与专利的储备与布局。

在亚洲其他国家地区，台湾拥有全球领先的晶圆代加工工艺技术与设备，而包括宜普半导体，GaN Systems在内的诸家氮化镓半导体公司的量产商品也都是在台湾本土进行代加工生产，其中台积电(TSMC，Taiwan Semiconductor Manufacturing Cooperation)作为全球最大的代加工商，同各氮化镓芯片设计公司进行深入合作。韩国三星半导体(Samsung)是亚洲地区最早开展氮化镓相关领域研究的公司之一，依托于其在半导体芯片工艺领域全球领先的实力，三星在2012年即发布了采用P-GaN结构的阻断能力高达1.2kV的8英寸硅基氮化镓功率半导体器件。

三、行业动态

自2002年，美国国防先进研究计划局（DARPA）启动了宽带隙半导体技术计划（WBGSTI），掀起了国际上基于GaN材料和器件的研究和产业化的浪潮，欧洲和日本紧随其后，在宽带隙半导体GaN材料和器件领域掀起了全球范围的激烈竞争。自2005年商用成品 (COTS) AlGaN/GaN材料推出以来，基于GaN基器件产业的市场份额高速增长。2008年开始，欧洲委员会已累计投入一千三百万欧元用于资助高性能GaN材料项目的研发（MOR-GaN）,该项目的参与者来自欧洲11个国家的23家企业和科研机构。而根据法国市场咨询公司YoleDéveloppement于2012年发布的GaN功率器件全球市场调查报告显示，到2015年，全球GaN基功率器件市场总额将达到3.5亿美元。据著名制造业市场咨询公司iSuppli估计，尽管氮化镓器件相比于同属基于第三代先进半导体材料的碳化硅（Silicon Carbide）器件产业形成时间落后20年，但由于氮化镓材料具

有更优良的耐压和导电特性（2DEG）的折中，将于2014年在全球市场实现总额反超。目前，全球GaN功率器件的主要增长领域为防御检测类相控阵雷达、无线传输高频功率放大器、军用战车飞机类电机控制等军工产业以及UPS、光伏逆变、汽车等商业产业。同时由于包括高端服务器、笔记本电脑、手机和有线通讯等传统商业领域的快速增长，氮化镓（GaN）在电源管理市场到2013年预计将达到1.836亿美元，而2010年实际上还几乎一片空白。

因此，不论是国防工业还是传统商用产业，全球范围内都给予了AlGaN/GaN功率器件产业越来越多的重视，对提高整个国家军事、工业实力都起到了非常重要的作用。

四、总结

虽然GaN功率器件的实际性能与理论上的性能还存在差距，但就目前器件及其功能电路的测试结果来看，相比传统Si技术已具备十分明显的性能优势，随着GaN功率器件的材料质量、器件技术、功率集成技术和可靠性的逐渐成熟，GaN功率器件很有可能取代Si功率器件，成为功率电子应用中的首选技术方案。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lh57.html