如何使用氮化鎵器件：引進氮化鎵晶體管技術(shù)

本文是專為功率系統(tǒng)設(shè)計工程師及工程經(jīng)理而設(shè)的連載文章的第一章。我們在未來數(shù)個月將介紹應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換的氮化鎵技術(shù)，并討論其基本設(shè)計及輔以應(yīng)用范例。硅器件已稱王多時，現(xiàn)在我們可利用一個全新技術(shù)替代它!

氮化鎵啟航

HEMT(高電子遷移率晶體管)氮化鎵(GaN)晶體管大約最早在二零零四年出現(xiàn)，當(dāng)時日本的Eudyna公司推出一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)了為射頻市場而設(shè)的晶體管。高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)基于在接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處異常高的電子遷移率，被描述為二維電子氣(2DEG)。將這種現(xiàn)象應(yīng)用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)吉赫茲頻率范圍內(nèi)的基準(zhǔn)功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一種耗盡型射頻高電子遷移率晶體管，首次利用硅基上生成的氮化鎵晶圓制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技術(shù)。

隨著另外幾家公司參與市場發(fā)展，氮化鎵射頻晶體管在射頻應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進。但在這個市場以外的認受性卻非常有限，主要的原因是器件的成本和耗盡型器件的操作并不方便。

宜普公司在二零零九年六月推出了首款增強型硅基氮化鎵(eGaN®)場效應(yīng)晶體管(FET)。這種晶體管專門設(shè)計用于替代功率MOSFET器件。這些產(chǎn)品可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅的制造技術(shù)和設(shè)備，以低成本大批量生產(chǎn)。

我們對功率半導(dǎo)體最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的結(jié)構(gòu)如果不具備這些特征的話，便不可能商品化。

讓我們對作為下一代功率器件發(fā)展平臺的硅、碳化硅及氮化鎵器件進行比較。

為什么使用氮化鎵器件?

從一九五零年代開始，硅是功率半導(dǎo)體的主要材料。與鍺或硒等其它早期半導(dǎo)體材料相比，它具有四大特點：

1. 硅器件推動了全新應(yīng)用的出現(xiàn);

2. 硅器件被證實更為可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶體管如果要替代硅器件，它的材料性能必需展示在以上四方面比硅器件更為優(yōu)勝。

硅器件的優(yōu)勢是基于其基本物理特性及在制造基礎(chǔ)設(shè)施和工程方面的龐大投資。現(xiàn)在讓我們來了解硅的幾個基本性能，以及它與其它替代材料的比較。表一展示了用于功率管理市場的三種競爭半導(dǎo)體材料的三種主要電學(xué)性能。

表一：氮化鎵、碳化硅及硅材料的性能比較

如何使用以上的基本結(jié)晶參數(shù)對功率晶體管的性能進行比較，其中的一個辦法是比較以上三個器件理論上可實現(xiàn)的最大性能。功率器件的眾多特性對目前的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)挠绊?，其中五個最重要的特性包括器件的傳導(dǎo)效率、擊穿電壓、開關(guān)速度、尺寸及成本。這些器件特性決定可實現(xiàn)的系統(tǒng)頻率及功率密度。

從表一的數(shù)據(jù)(對氮化鎵二維電子氣的高遷移率做出調(diào)整后)我們可以得出作為擊穿電壓及材料函數(shù)的理論上最小電阻(電導(dǎo)的倒數(shù))。

表一展示了由于碳化硅與氮化鎵器件均具有比較高的臨界電場強度，使它們的電阻及擊穿電壓具優(yōu)越關(guān)系，允許器件在給定的擊穿電壓下實現(xiàn)更小尺寸，以及我們可以把端子更緊密地排列在一起。此外，與碳化硅器件相比，氮化鎵器件的另一個額外優(yōu)勢是由于二維電子氣的電子遷移率較高，使氮化鎵器件可以在給定的電阻及擊穿電壓下具有更小的尺寸，為氮化鎵器件加分!

由于氮化鎵器件可以比硅器件小很多，以及其電子遷移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化鎵高電子遷移率晶體管可具更快速開關(guān)的優(yōu)勢。圖二展示在一個12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，一個氮化鎵晶體管與兩個硅功率MOSFET器件的過渡時間的比較。 氮化鎵晶體管的開關(guān)時間是等效40 V 硅器件的五分之一，以及是等效25 V硅器件的四分之一。這再次為氮化鎵器件加分!