GaN器件
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-07-26
GaN器件的實例教程
從2018年開始，GaN技術(shù)開始在快充產(chǎn)品中應(yīng)用，并在隨后的兩年中迅速成為主流，引領(lǐng)了快充市場新風(fēng)向。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前為止,國內(nèi)外至少有60家生產(chǎn)制造GaN快充產(chǎn)品的廠商，可提供的GaN PD快充產(chǎn)品超過100款，無論是從廠家數(shù)量還是產(chǎn)品種類方面相比2019年底都有了翻倍的增長。市面上GaN快充產(chǎn)品大部分功率在30W-100W，能滿足大部分的手機(jī)、平板電腦的充電功率需求。
GaN電力電子器件具有更高的功率密度，采用GaN的充電器體積?。▋H為原來的1/4）、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性強，較普通充電器有顯著優(yōu)勢。根據(jù)內(nèi)部電路架構(gòu)的不同，約使用1-2顆的GaN電力電子器件，平均轉(zhuǎn)換效率約能達(dá)到90%左右。
Navitas GaN 單管應(yīng)用舉例
GaN電力電子器件目前雖然被大眾熟知的基本只有快充領(lǐng)域，但實際上其早就在工業(yè)電源領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，但之前由于成本偏高，在消費領(lǐng)域沒有太多推廣。隨著GaN-on-Si電力電子器件成本的下降，下游應(yīng)用廠家及配套企業(yè)開始積極布局GaN快充市場。但隨著近兩年來國內(nèi)外產(chǎn)線產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，制造技術(shù)的逐漸成熟，GaN電力電子器件的成本已經(jīng)達(dá)到了廠商采購的甜蜜點。從IDM廠商給出的生產(chǎn)成本來看，目前GaN電力電子器件成本已經(jīng)接近Si。
據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，全球智能設(shè)備年均新增出貨量超 20 億臺，隨著GaN在該市場的滲透提速，未來幾年消費類電源快充市場將成為GaN電力電子最大的推動力。
不僅僅是手機(jī)快充，GaN未來幾乎可以應(yīng)用于所有的消費類電源模塊市場，如白家電、3c產(chǎn)品，可以想象到未來市場有多么巨大。
展開 半導(dǎo)體材料研究熱點，GaN 射頻器件應(yīng)用前景明朗
氮化鎵（GaN）是由氮和鎵組成的一種半導(dǎo)體材料，因為其禁帶寬度大于 2.2eV，故被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。GaN 材料作為微波功率晶體管的優(yōu)良材料與藍(lán)色光發(fā)光器件中的一種具有重要應(yīng)用價值的半導(dǎo)體，是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅相比，由于 GaN 禁帶寬度是硅的 3-4 倍、熱導(dǎo)率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；其擊穿場強比硅高 10 倍，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；飽和電子遷移速度是硅的 2-4 倍，因此允許器件更高速地工作。GaN 器件在光電子、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 外延片可分為同質(zhì)外延片與異質(zhì)外延片。在GaN 單晶襯底上生長的GaN為同質(zhì)外延片，以GaN 單晶材料作為襯底可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低錯位密度，提高器件工作壽命。但由于GaN 材料硬度高，熔點高，襯底制作難度高，位錯缺陷密度較高導(dǎo)致良率低，技術(shù)進(jìn)步緩慢。
因此GaN 晶圓的成本仍然居高不下，GaN 厚膜襯底的應(yīng)用受到限制。除了同質(zhì)外延片外，GaN 還可以生長在其他襯底材料上，稱之為異質(zhì)外延片。目前常用的襯底材料包括藍(lán)寶石、SiC、硅與金剛石。其中藍(lán)寶石GaN 只能用來做LED；硅基GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射頻器件；碳化硅基GaN（GaN on SiC）可以制造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。
展開 6月3日，北京大學(xué)物理學(xué)院官網(wǎng)宣布，他們用硅晶圓制作了GaN晶體，并制備了GaN基功率器件，“這是國際上首次”，不僅物理性能優(yōu)異，而且“極具成本優(yōu)勢”。
以GaN基PND器件為例，其導(dǎo)出臨界電場強度高達(dá)3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質(zhì)外延GaN基器件耐壓的世界紀(jì)錄。
同時，由于采用硅晶圓，它可以用“極低廉的襯底成本”，來制作氮化鎵器件，從而能夠以更低的成本去搶占快充、服務(wù)器，甚至汽車等市場，市場前景廣闊。
這項技術(shù)得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等支持，相關(guān)成果最近發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》，并被選為編輯精選。
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硅晶圓生長GaN晶體
實現(xiàn)3.3 MV/cm，刷新記錄
據(jù)介紹，北京大學(xué)物理學(xué)院胡曉東教授與美國UCLA謝亞宏教授、日本名古屋大學(xué)天野浩教授（諾貝爾物理學(xué)獎得主）合作，開發(fā)了一種獨特的外延生長技術(shù)，制備了GaN基SBD和GaN基PND。
經(jīng)測試，這些GaN基器件的物理性能非常優(yōu)異。
在PND上，理想因子n下探至1.8，其室溫?fù)舸╇妷哼_(dá)到490 V，而且在單邊結(jié)模型下（非穿通），導(dǎo)出臨界電場強度高達(dá)3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質(zhì)外延GaN基器件耐壓的世界紀(jì)錄，高于其他報道的同質(zhì)外延GaN基器件的耐壓值。
圖1：GaN基PND的I-V特性。
在SBD上，理想因子n下探至罕見的1.0，并在7個數(shù)量級的電流范圍內(nèi)保持在1.05以下；其開啟電壓低至0.59 V，電流開關(guān)比高達(dá)1010，軟擊穿電壓達(dá)175 V@0.05 A/cm2。
圖2：GaN基SBD的I-V特性。
展開 ▲不同應(yīng)用領(lǐng)域主流射頻器件技術(shù)路線演進(jìn)
全球 GaN射頻器件
產(chǎn)業(yè)鏈競爭格局
目前，射頻器件的主要市場如下：手機(jī)和通訊模塊市場，約占80%；WIFI路由器市場，約占9%；通訊基站市場，約占9%；NB-IoT市場，約占2%。
▌境外 GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈重點公司及產(chǎn)品進(jìn)展
GaN 微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過大，因此這個領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。
Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產(chǎn)品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達(dá)到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz，由 Qorvo 生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是 GaN/SiC GaN 路線。
此外，部分企業(yè)提供 GaN 射頻模組產(chǎn)品，目前有 4家企業(yè)對外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達(dá)到 31GHz。Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。
Qorvo 射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。
展開 雖然大多數(shù)晶體管的驅(qū)動通常使用對稱電源軌（如±5V），但SiC器件需要較小的負(fù)電壓以確保完全關(guān)斷，因此需要不對稱的電源軌（如-1V至-20V）。
此外，雖然SiC具有出色的散熱特性，與硅相比導(dǎo)熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設(shè)計的封裝，例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法與SiC配合良好，但僅適用于低頻電路（數(shù)十千赫）。一旦應(yīng)用于高頻電路，寄生電容和電感就會相應(yīng)增大，從而阻礙基于SiC器件充分發(fā)揮全部潛力。
同樣，要充分利用GaN器件的優(yōu)勢，封裝就必須具有極低的寄生電感和出色的熱性能。嵌入式芯片封裝（類似于多層印刷電路板）等全新封裝方法，以低成本實現(xiàn)了所需的性能，同時還消除了引線鍵合以避免器件自身的可靠性問題。
柵極驅(qū)動器這一關(guān)鍵元件主要用作控制器與功率器件之間的接口。對于采用新器件的電子設(shè)計人員而言，柵極驅(qū)動設(shè)計始終是個難題，因此了解SiC和GaN功率器件的驅(qū)動方式就顯得尤為重要。具體要求是：
供電電壓高，通過低傳導(dǎo)損耗實現(xiàn)高能效
驅(qū)動強度高，實現(xiàn)低開關(guān)損耗
快速短路保護(hù)
傳播延遲和變化較小，實現(xiàn)高能效和快速系統(tǒng)控制
dv/dt抗擾度高
部分早期的GaN器件需要特殊的驅(qū)動器來防止柵極過壓。目前市面上推出具有大Vg容差的新一代E-HEMT，只需改變柵極電壓，即可由許多標(biāo)準(zhǔn)MOSFET驅(qū)動器來驅(qū)動。GaN FET是橫向器件，因此所需的最佳驅(qū)動電壓相對較低?？偠灾?，GaN器件的柵極驅(qū)動要求與SiMOSFET和IGBT類似。
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GaN器件的最新內(nèi)容
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<p style="margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; border: 0px;">7.1 汽車功率半導(dǎo)體技術(shù)：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導(dǎo)體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)設(shè)備等；</p>
<p style="margin-top: 20px
3.1 汽車功率半導(dǎo)體技術(shù)：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導(dǎo)體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)設(shè)備等；
4、 汽車輕量化技術(shù)及汽車材料：金屬材料、塑料、發(fā)泡材料、復(fù)合材料、輕量化零部件、車身連接技術(shù)等；
4.1 汽車用鋼專題展示區(qū): 先進(jìn)高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案
其中，第三代半導(dǎo)體（SiC/GaN）器件、智能座艙域控制器、激光雷達(dá)、線控底盤、整車熱管理系統(tǒng)等前沿技術(shù)及產(chǎn)品將集中亮相，直觀呈現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)“輕量化、電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、軟件化”的核心發(fā)展方向。
高頻功率拓?fù)渑c低損耗硬件設(shè)計（SiC/GaN器件、集成磁件、先進(jìn)散 熱）。</p><p>高速電機(jī)驅(qū)動正向“更高轉(zhuǎn)速、更高密度、更高可靠性 ”演進(jìn)，突破控 制精度、損耗抑制與系統(tǒng)集成瓶頸后，將在航空航天、新能源汽車、工業(yè)透 平等領(lǐng)域大規(guī)模落地。
在功率循環(huán)測試方面，設(shè)備可對 IGBT、SiC MOSFET、GaN 等器件施加 0-6000A 寬范圍周期性電流負(fù)載，模擬從常溫到 200℃的極端工況，支持恒定電流、結(jié)溫差（ΔTj）、殼溫差（ΔTc）等多種循環(huán)模式，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器、風(fēng)電變流器等場景的高頻開關(guān)應(yīng)力。
隸屬于AUTO TECH 展系列的AUTO TECH 2025 廣州國際新能源汽車功率半導(dǎo)體技術(shù)展覽會，展品覆蓋車用功率器件IGBT/MOSFET、SiC、GaN、基礎(chǔ)功率器件、材料、封裝測試、生產(chǎn)設(shè)備、散熱管理等技術(shù)產(chǎn)品，組委會將邀請比亞迪、廣汽埃安、特斯拉、豐田、小鵬、理想、小米、極氪、長城、上汽、本田、日產(chǎn)、大眾、寶馬、蔚來、華為、匯川技術(shù)、寧德時代、博世、英飛凌、電裝、瑞薩、安森美、意法半導(dǎo)體等汽車
比較突出直接將第一性原理計算的聲子性質(zhì)納入器件熱模擬的重要性，并且本文可以更清楚地了解GaN中的近結(jié)熱輸運，并且可以用于GaN基器件的熱模擬。
由于GaN基半導(dǎo)體器件具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、耐高溫等優(yōu)異性能，其在高頻大功率微波器件等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，例如用于雷達(dá)的GaN基功率放大器及GaN基高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor，HEMT)
等
．隨著這些器件向著小型化、高功率和高頻率方向發(fā)展，散熱問題對器件性能提升的制約則越顯突出．
這種方法由日本明治大學(xué)、三重大學(xué)和大阪大學(xué)合作開發(fā)，能夠讓AlGaN LED像使用激光剝離技術(shù)剝離出高功率GaN器件一樣輕松剝離。這里要注意的一點是，直接將激光剝離技術(shù)應(yīng)用于AlGaN LED的玻璃尚有很多問題，其工藝中形成的鋁液滴會抑制器件的整體玻璃。傳統(tǒng)玻璃方案還有另一種選擇：電化學(xué)蝕刻，不過該方案通常需要施加電流，這會限制所剝離區(qū)域的大小。
襯底材料
金剛石還可以作為GaN功率器件的襯底，以幫助其散熱，實現(xiàn)更高頻率和更高功率。從2008年開始，歐盟投入資金推動化學(xué)氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長金剛石。
