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氮化鎵的世界你知道多少?!

發表時間:2019-05-24 文章出處:電子發燒友人氣:-

福建31选7开玩说明书 www.rpovx.com 氮化鎵,分子式GaN,英文名稱Gallium nitride,是氮和鎵的化合物,是一種直接能隙(direct bandgap)的半導體。


GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點,是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料。


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半導體行業在摩爾定律的“魔咒”下已經狂奔了50多年,一路上挾風帶雨的,好不風光。不過隨著半導體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限,摩爾定律對半導體行業的加速度已經明顯放緩。


未來半導體技術的提升,除了進一步榨取摩爾定律在制造工藝上最后一點“剩余價值”外,尋找硅(Si)以外新一代的半導體材料,也就成了一個重要方向。在這個過程中,氮化鎵(GaN)近年來作為一個高頻詞匯,進入了人們的視野。


GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導體材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比,其在特性上優勢突出。由于禁帶寬度大、導熱率高,GaN器件可在200℃以上的高溫下工作,能夠承載更高的能量密度,可靠性更高;較大禁帶寬度和絕緣破壞電場,使得器件導通電阻減少,有利與提升器件整體的能效;電子飽和速度快,以及較高的載流子遷移率,可讓器件高速地工作。


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因此,利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導體器件,這與半導體行業一貫的“調性”是吻合的。


與GaN相比,實際上同為第三代半導體材料的SiC的應用研究起步更早,而之所以GaN近年來更為搶眼,主要的原因有兩點。


首先,GaN在降低成本方面顯示出了更強的潛力。目前主流的GaN技術廠商都在研發以Si為襯底的GaN的器件,以替代昂貴的SiC襯底。該技術對于供應商來說是一個有吸引力的市場機會,它可以向它們的客戶提供目前半導體工藝材料可能無法企及的性能。


讓我們回顧下不同襯底風格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)襯底或者金剛石襯底。


硅基氮化嫁:這種方法比另外兩種良率都低,不過它的優勢是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此,它很快就會以價格為競爭優勢對抗現有硅和砷化鎵技術,理所當然會威脅它們根深蒂固的市場。


碳化硅襯底氮化鎵:這是射頻氮化鎵的“高端”版本,SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級別的氮化鎵產品,可提供其他出色特性,可確保其在最苛刻的環境下使用。


金剛石襯底氮化鎵:將這兩種東西結合在一起是很難的,但是好處也是巨大的:在世界上所有材料中工業金剛石的熱導率最高(因此最好能夠用來散熱)。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導熱率優勢發揮出來,可以實現非常接近芯片的有效導熱面。


其次,由于GaN器件是個平面器件,與現有的Si半導體工藝兼容性強,這使其更容易與其他半導體器件集成。比如有廠商已經實現了驅動IC和GaN開關管的集成,進一步降低用戶的使用門檻。


正是基于GaN的上述特性,越來越多的人看好其發展的后勢。特別是在幾個關鍵市場中,GaN都表現出了相當的滲透力。


射頻(RF)領域將是GaN的主戰場。氮化鎵(GaN)功率半導體技術和??槭繳杓頻慕?,使得微波頻率的高功率連續波(CW)和脈沖放大器成為可能。


2014年,美國雷神公司宣布其公司在下一代氮化鎵射頻半導體技術領域又取得一重大里程碑,研制出金剛石基GaN器件。金剛石做襯底材料,可將器件的熱傳導能力提升3~5倍,從而顯著減少雷達、電子戰裝置等國防系統的成本、尺寸、重量和功耗。金剛石基GaN器件可使晶體管功率密度比傳統SiC基GaN器件增加3倍,克服了阻礙氮化鎵器件發揮潛力的主要障礙。該數據由10×125微米金剛石基GaN高電子遷移率晶體管測得,HEMT是組成單片微波集成電路功率放大器的基本單元,是固態射頻發射器和有源電子掃描陣列的基礎。


接著2016年3月,科巴姆公司與RFHIC公司將聯合開發GaN大功率放大器???,用于175千瓦固態發射機原理樣機。美國與韓國開始正式合作將氮化鎵用于軍事雷達。有分析指出,與目前在RF領域占統治地位的LDMOS器件相比,采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可高達其4倍,帶寬可增加20%,功率密度可達6-8W/mm(LDMOS為1~2W/mm),且無故障工作時間可達100萬小時,更耐用,綜合性能優勢明顯。5G的商用無疑會是GaN在射頻市場發展的一個驅動力。


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根據市場研究機構Yole的預測,受5G網絡部署的拉動,全球RF功率器件市場在2016年到2022年間將增長75%,年復合增長率達到9.8%;GaN將在未來5~10年成為3W以上RF功率應用的主流技術,而LDMOS的整體市場規模將下降到15%以下。


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與此同時,我們會發現,在其他RF領域,也都會有GaN的身影,作為重要的升級換代技術,向原有的半導體器件發起挑戰,尤其在與砷化鎵的PK中顯示出絕對的3大物理特性優勢:


氮化鎵器件提供的功率密度比砷化鎵器件高十倍:由于氮化鎵器件的功率密度較高,因此可以提供更大的帶寬、更高的放大器增益,并且由于器件尺寸的減少,還可提高效率。


氮化鎵場效應管器件的工作電壓比同類砷化鎵器件高五倍:由于氮化鎵場效應管器件可在更高電壓下工作,因此在窄帶放大器設計上,設計人員

可以更加方便地實施阻抗匹配。


氮化鎵場效應管器件提供的電流比砷化鎵場效應管高二倍:由于氮化鎵場效應管器件提供的電流比砷化鎵場效應器件高二倍,因此氮化鎵場效應器件的本征帶寬能力更高。


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由于氮化鎵定中低功率應用,其應用市場規模要大于中高功率,因此Yole預估,氮化鎵元件2015年~2021年的成長率將達83%,其中電源供應器(Power Supply)將占相當大的一部份,近六成左右,而碳化硅同期的成長則相對緩慢,成長率約在21%左右。


總結一下


氮化鎵南征北戰縱橫半導體市場多年,無論是吊打碳化硅,還是PK砷化鎵。氮化鎵憑借其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越性質,穩穩地占領了理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系,確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領先地位。 

 



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