深入了解 GaN 技术

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本章将深入探讨氮化镓 (GaN) 技术 :其属性、优点、不同制造工艺以及最新进展。这种更深入的探讨有助于我们了解 :为什么 GaN 能够在当今这个技术驱动的环境下发挥越来越重要的作用。
 
GaN :可靠的技术
 
GaN 是一项久经考验的化合物半导体技术。自 20 世纪 80 年代以来,化合物半导体一直都是高性能应用中的主导微波集成电路 (IC) 技术。这是因为与简单的硅基半导体器件相比,它们可实现卓越的速度和功率组合。
 
化合物半导体由元素周期表中的两个或两个以上不同元素族组成,而简单的半导体器件则由硅 (Si) 等单元素组成。如图 2-1 所示,GaN 是其中一种化合物半导体,它将元素周期表的第三列和第五列元素组合在一起,因此被称为 III-V 化合物半导体。
 
图 2-1 :简单半导体与 III-V 化合物半导体
 
图 2-1 :简单半导体与 III-V 化合物半导体
 
这些 III-V 半导体可用于各种应用。在过去的四十年,砷化镓 (GaAs) 应用最为广泛,全球运行着数十亿个 GaAs IC。与 GaAs 相比,GaN 可实现更出色的速度和功率处理组合。在晶体管速度给定的情况下,GaN 具有出色的功率性能,因此能够在频率范围广泛的数千个应用中取代其他技术。
 
GaN 单芯片微波集成电路 (MMIC) 和分立式晶体管于 2000 年代后期首次投入生产,主要针对最高功率水平的固态应用。在毫米波 (mmWave) 应用中,GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs,与竞争技术中 MMIC 提供的功率水平相比,GaN 可在 Ka 频段实现数十瓦的功率。在较低的频率下(如 L 频段),GaN 晶体管可实现超过 1,000 瓦的功率!
 
正如我们在第 1 章中提到的,GaN 可以使用多种基板材料,如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金刚石。GaN 可与高热导率基板(如 SiC)兼容,从而增强了其在高功率应用中的优越性。
 
体管 GaN 固有的材料属性如何创造卓越的射频
 
从概念上讲,使用 GaN 构建的场效应晶体管 (FET) 与使用其他半导体材料(如 GaAs、磷化铟 (InP) 或 Si)构建的使用栅极触点或节点的晶体管类似。如果为 GaN 射频 (RF) 器件,其实现通常是耗尽型高电子迁移率晶体管 (HEMT)。
 
耗尽型 HEMT 对栅电极施加负偏压。这样就切断了漏极和源极之间的电流。当施加的栅电压为零时,耗尽型 FET 设计为处于开启状态 ;可通过将栅极拉大阈值电压以下将其关闭。
 
GaN 器件由纵向材料结构和横向结构组成,前者定义了许多固有属性,后者实现了与材料结构的接触并电荷流的控制(参见图 2-2)。与其他 FET 一样,横向结构包括源极、漏极和栅极触点。通常,附近还有其他结构提供磁场控制,如图 2-2 中所示的源场板。
 
静观其变
 
Qorvo 制作了一个非常有用的视频,解释如何正确地打开或关闭 GaN HEMT 晶体管。欲查看“如何偏置 GaN 晶体管 :入门教程”,请点击此处
 
图 2-2 :基本的 GaN FET 几何结构。
 
图 2-2 :基本的 GaN FET 几何结构。
 
下面为图 2-2 所示内容 : 
 
» 屏障提供了两个关键功能 :实现栅极和信道之间的隔离,以及支持电子流动的电荷容量。它通常由氮化镓铝 (AlGaN) 制成。
 
» 信道为纯 GaN。它可以为漏极触点和源极触点之间的电流提供传导路径。GaN 的高饱和速度和迁移率可实现器件漏极和源极之间的高速传输和电流电平。
 
» 缓冲用于限制信道内的电荷流,以避免泄漏到基板,并保证晶体管器件之间的隔离。
 
» 基板决定了器件的机械和散热性能。功耗较高的器件可受益于具有较高热导率的基板。SiC 基板材料使用便捷,可提供出色的散热性能,同时兼容 GaN 材料生长和 MMIC 制备。
 
以下是横向结构的重要功能 : 
 
» 器件的栅极控制从漏极到源极触点且流经器件的电流。栅极的 长度决定了器件的速度和电子流经控制区域的时间。
 
» 源极和漏极触点提供本征器件的低阻接入。栅极与这些触点之 间的隔离不仅会产生不必要的寄生接入电阻,而且还会增加支 持预期操作所需的击穿电压。
 
GaN 工艺选项解
 
通过在晶体管速度、电流能力、击穿电压、效率和可靠性之间进行权衡, 可针对目标应用对 FET 进行优化。为满足不同 GaN 应用的需求,制造商 提供了频率和功率水平范围广泛的多种工艺技术。有了多个 GaN 工艺可供 选择,电路设计人员可以将特定的 GaN 工艺技术与应用进行最优匹配,从 而简化并加快设计。图 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工艺技术,这些技 术旨在适应多个市场领域的各种应用。
 
图 2-3 :AB 类性能的 Qorvo GaN 工艺技术选项。
 
图 2-3 :AB 类性能的 Qorvo GaN 工艺技术选项。
 
例如,功率非常高的应用(如工作频率为 2 GHz 的 1 kW 晶体管)将受益于具有较高击穿电压的 GaN 工艺,因为它提高了工作电压和射频功率密度。工作电压的提高也会提高输出效率。这是提高接入电阻和降低晶体管速度之间的权衡。Qorov GaN50 工艺能够在 65 V 的电压条件下运行,同时也具有这些优势。
 
毫米波功率放大器 (PA) 应用(如工作频率为 30 GHz 的 20 W MMIC)要求使用能够在高频率条件下提供较高增益的高速器件。器件设计的权衡将有利于缩短栅极长度,最小化接入电阻,以及最大限度地提高电流容量。从而可以降低击穿电压和功率密度。Qorov GaN15 工艺能够在最高 28 V 的电压条件下运行,同时也具有这些优势。
 
在这两个示例中,GaN 器件提供了比其他技术更高的工作电压,从而展示了该技术固有的速度和电压优势。较高工作电压的优势不仅仅局限于 PA 电路,它还可以为整个系统带来好处
 
例如 :相位阵天线系统(GaN PA 的常见应用)可能需要数百或数千个单独的功率放大器。
 
这些天线阵列系统中的直流配电一直都是一大难题,因为电源会占据空间,增加重量,并引起直流电源损耗。但 GaN 具有较高的工作电压,可实现更低的直流电流和出色的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 性能,以应对这些系统所面临的直流配电挑战。
 
GaN 器件的可靠性评估
 
在所有电子系统中,可靠性都极其重要,因此在选择半导体时,可靠性是一个关键考虑因素。GaN 的一个关键优势就是,与其他半导体相比,它可以在更高的电压和功率密度下运行。GaN 可以满足这些严苛要求,在高结温条件下具有经过实践证明的可靠性,同时可在 200℃ 温度条件下实现超过 107(1000 万)小时的平均无故障时间 (MTTF),在 225℃ 温度条件下实现超过 106(100 万)小时的平均无故障时间。GaN 具有更高的安全运行通道温度和更长的使用寿命,使系统设计人员能够推动其应用和产品的进步。
 
GaN 制造商采用不同的故障分析方法 :一些依赖于热成像,而另一些则使用热成像、产品包装测试和建模的组合方法。但所有制造商和标准机构都同意 :与其他技术相比,GaN 在高功率、高温应用方面更可靠。如图 2-4 中所示,GaN 的可靠性远远超过了基于 GaAs 的晶体管
 
图 2-4 :使用 Qorvo MTTF 曲线进行
 
图 2-4 :使用 Qorvo MTTF 曲线进行
 
GaN 与 GaAs 技术器件的可靠性比较示例 GaN 应用通常会使器件处于更高应力的工作条件下,如更高的电流密度、更高的环境温度和更高的电场。无论是器件设计还是器件使用的结果,这些问题都可能是由压电效应、热失配或封装引起的。
 
GaN 器件还有一个需要注意的固有器件特性 :由 GaN 固有的压电特性引起的应力。图 2-5 展示了 GaN FET 的峰值应力区域。然而,在 GaN 器件中,这种行为很好表征,也易于理解。因此,使用目前的 GaN 工艺技术,这不再是问题。
 
图 2-5 :FET 的高电场区域。
 
图 2-5 :FET 的高电场区域。
 
如今,GaN 器件被用于可靠性要求最严苛且最具挑战性的各种应用,包括任务关键型系统和航空应用。GaN 的可靠性和稳定性超越了晶体管和 MMIC 工艺,经过优化可应对 GaN 应用范围不断扩大所面临的电气、散热和环境挑战。其环境稳定性可实现当今所有 GaN 工艺的裸片级高加速应力测试 (HAST) 兼容性。GaN 的封装和互连技术也在不断进步,以保持同步。
 
例如 :当今的 Qorvo GaN 技术可用于大批量、制造成熟度 10 级 (MRL 10) 的成熟工艺。MRL 是美国国防部 (DOD) 制定的一种衡量标准,用于评估制造成熟度。MRL 10 是最高级别的制造成熟度,表明全速生产和精益生产实践已经就绪。
 
GaN 技术不断进步,以支持更广泛的应用。这些进步包括在宽带频率范围中支持更高的工作频率和不断增加的功率水平。与大多数其他技术进步一样,小批量生产能力正在向大批量的成熟生产工艺转移。
 
GaN 的一个关键进步就是,通过缩短 GaN 栅极长度,可在极高频率(100 GHz 或更高)下运行。另一个进步就是输出功率水平 :当工作电压提高时,GaN 可以在较低的频率下实现较高的功率密度。
 
如今,GaN PA 设计通常遵循这样一个原则 :1 GHz 频率下为数千瓦,10 GHz 频率下为数百瓦,100 GHz 频率下为数十瓦。在过去五年,这一粗略的品质因数翻了三倍,且仍在继续提高。
 
GaN 技术将继续发展,同时进一步扩大 GaN PA 频率范围,提高其功率水平。其他参数也正在探索之中,如增加高功率放大器 (HPA) 带宽和提高效率。GaN 器件性能的提高和电路设计技术的进步可实现这些领域的不断进步。
 
GaN 在过去 20 年中已经长足发展,如今正在进一步改进,实现更广泛部署。我们可以肯定的是,未来 GaN 技术将进一步改进,其应用范围也将更加广泛。
 
——本文来源:QORVO半导体
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