浅析氮化镓技术原理及技术突破路线

氮化镓，化学式GaN，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体。氮化镓（GaN）技术并不是一种新的半导体技术，自1990年起就已经常被用在发光二极管中，但成本昂贵。

从化学命名就可以看出，这是由氮和镓两种离子组成的一种半导体材料，在物理特性上，其禁带宽度大于2.2eV，又被称为宽禁带半导体材料，也就是国内常说的第三代半导体材料的一种，实际上市场关注的并不只是氮化镓，而是第三代半导体材料。

第三代半导体包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等。它们的禁带宽度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化镓为代表。

禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场。

GaN 比传统硅材料更大的禁带宽度，使它具有非常细窄的耗尽区，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构，而载流子浓度直接决定了半导体的导电能力。简单的解释就是氮化镓比硅基半导体器件，可以在更高的温度下工作。

氮化镓技术的优势

氮化镓作为第三代半导体，其原理于第一代半导体（Si）相似，其主要优势表现在以下三点：

1、高性能：具有高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻的优点。热稳定性能优良，易就实现高工作脉宽和高工作比;

2、高可靠性：具有高温结和高热传导率，能显著提升器件在不同温度下的适应性和可靠性;

3、低成本：优良的材料性能意味着实现相同功能所需的材料越少，能够有效降低成本。

氮化镓晶体管结构原理

与硅材料的功率半导体不同，氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的压电效应形成的二维电子气（2DEG）来导电，如图所示。由于二维电子气只有高浓度电子导电，因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合（即体二极管反向恢复）的问题。

图：氮化镓导电原理示意图

图所示的基本氮化镓晶体管的结构是一种耗尽模式（depletion-mode）的高电子移动率晶体管（HEMT），这意味着在门极和源极之间不加任何电压（VGS=0V）情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的，即是常开器件。这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同，对于工业应用特别是开关电源领域是非常难以使用的。为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案，一是采用级联（cascode）结构，二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型（常闭）晶体管。两者结构如图5所示。

图：两种结构的氮化镓晶体管

级联结构的氮化镓是耗尽型氮化镓与一个低压的硅MOSFET级联在一起，该结构的好处是其驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同（因为驱动的就是一个硅MOSFET），但是该结构也有很大的缺点，首先硅MOSFET有体二极管，在氮化镓反向导通电流时又存在体二极管的反向恢复问题。其次硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连，在硅MOSFET开通和关断过程中漏极对源极出现的振荡就是氮化镓源极对门极的振荡，由于此振荡时不可避免的，那么就存在氮化镓晶体管被误开通和关断的可能。最后由于是两个功率器件级联在一起，限制了整个氮化镓器件的导通电阻的进一步减小的可能性。

由于级联结构存在以上问题，在功率半导体界氮化镓晶体管的主流技术是增强型氮化镓晶体管。以英飞凌科技有限公司的氮化镓晶体管CoolGaN为例，其详细结构如图所示。

图：CoolGaN结构示意图

如图所示，目前业界的氮化镓晶体管产品是平面结构，即源极，门极和漏极在同一平面内，这与与超级结技术（Super Junction）为代表的硅MOSFET的垂直结构不同。门极下面的P-GaN结构形成了前面所述的增强型氮化镓晶体管。漏极旁边的另一个p-GaN结构是为了解决氮化镓晶体管中常出现的电流坍陷（Current collapse）问题。英飞凌科技有限公司的CoolGaN产品的基材（Substrate）采用硅材料，这样可以大大降低氮化镓晶体管的材料成本。由于硅材料和氮化镓材料的热膨胀系数差异很大，因此在基材和GaN之间增加了许多过渡层（Transition layers），从而保证氮化镓晶体管在高低温循环，高低温冲击等恶劣工况下不会出现晶圆分层等失效问题。

对于氮化镓的应用，现在我们去搜充电器，很多品牌都能看到氮化镓的身影。除了很多知名数码配件品牌，还有很多手机厂商如华为、小米、努比亚等。

通过种种信息，我们应该都能发现，氮化镓充电器目前已经快要与普通充电器市场持平，而且，氮化镓充电器是近几年新开发出来的，从刚开始出现的30W到现在的140W、200W，相信未来还会有更多可能。

氮化镓的未来

虽然说第三代半导体正处于发展初期，国内和国际巨头基本处于同一起跑线，这是中国追赶国外的契机。此外，第三代半导体工艺产线对设备要求低，所以第三代半导体工厂的投资额度大约只有第一代硅基半导体的五分之一，难点不在设备、不在逻辑电路设计，而在于工艺，而工艺开发具有偶然性，相比较逻辑芯片难度降低，这对于本土企业来说都是利好消息。

文章整合自每日财报、今日半导体、芯极速、智慧商系