什么是氮化镓（GaN）？什么是高电子迁移率晶体管？

什么是硅基氮化镓？

氮化镓（GaN）是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。 由于具有更高的击穿强度、更快的开关，更高的热导率和更低的导通电阻，氮化镓基功率器件明显比硅基器件更优越。 氮化镓晶体可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。 在硅上生长GaN外延层可以使用现有的硅制造基础设施，从而无需使用高成本的特定生产设施，而且以低成本采用大直径的硅晶片。

氮化镓用于制造半导体功率器件，也可以用于制造射频元件和发光二极管（LED）。 氮化镓技术展示出它可以在功率转换、射频及模拟应用中，替代硅基半导体技术。

什么是高电子迁移率晶体管？

什么是高电子迁移率晶体管？HEMT）使用二维电子气（2DEG），由不同带隙的两种材料之间的结点构成。与等效硅基解决方案相比，氮化镓基HEMT的开关更快、热导率更高和导通电阻更低，从而允许在电路中采用氮化镓晶体管和集成电路以提高效率、缩小尺寸并降低各种电源转换系统的成本。

在一百多年以前，当电子时代露出曙光时，功率设计工程师一直努力寻求最理想的开关 -- 支持快速、高效电源转换的开关，能够把原始电能转换成受控、有用的流动电子。首先出现的是真空管技术。可是，由于它产生大量的热量，所以能效低，而且体积大和成本高昂，使得它的应用受限。随后在50年代，晶体管被广泛地应用，它的小尺寸及具备较高效率的优势，使得它成为行业的“圣物”（holy grail），以及很快地替代了真空管而同时推动了庞大的、全新的市场发展，这是真空管技术所无法实现到的。

硅基晶体管及电子时代的来临

硅材料很快便成为制造半导体晶体管的首选材料。这不独是因为它本质上具备卓越的电气特性，其生产成本也较真空管为低。此后，于70及80年代，硅基晶体管及随后的集成电路均发展迅猛。摩尔定律的规律是晶体管的性能大约于18个月之间得以翻倍，而同时其制造成本也会降低，驱使行业得以推出具备更高性能及更低成本的全新产品，从而深受客户欢迎。在功率转换中，硅基功率MOSFET器件实践了这个定律而成为硅基晶体管得以蓬勃发展的主要因素。

就像真空管技术一样，硅基功率MOSFET一直以来的发展 – 实现更高的性能及更低的价格 - 已经到了极限。幸运的是，市场一直要求具有极快速的开关、没有电阻、更低的成本等优势的理想开关，而且可制造高性能功率转换晶体管及集成电路的全新材料也推陈而出新。

氮化镓半导体的快速发展

把电子性能提升至另一个更高的水平及使得摩尔定律复活的领先侯选原材料，就是氮化镓材料。目前已经被证实，与硅基器件相比，氮化镓器件传导电子的效率可以高出1000倍，而同时比硅基器件的制造成本较低。硅基器件的技术发展已经到了极限，而一种新兴并具备较高性能的半导体材料正在冒起 - 氮化镓材料。

幸运的是，制造氮化镓器件的成本比制造MOSFET器件的成本为低，这是由于我们在目前用来制造传统硅基半导体的相同工厂中，采用制造硅器件的标准步骤来制造氮化镓器件，从而使得具有相同性能的氮化镓器件的体积可以细小很多。由于每个氮化镓器件都比硅基器件细小很多，因此每块晶圆可以产出更多的氮化镓器件，这样，与等效硅基器件相比，制造氮化镓器件的成本就总是更低。当氮化镓技术继续得以提升时，它与硅基器件的成本差距，将进一步扩大。

氮化镓器件如何工作？

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，用于高效功率晶体管和集成电路。在GaN晶体的顶部生长氮化铝镓（AlGaN）薄层并在界面施加应力，从而产生二维电子气（2DEG）。2DEG用于在电场作用下，高效地传导电子。2DEG具有高导电性，部分原因是由于电子被困在界面处的非常细小的区域，从而将电子的迁移率从未施加应力前约1000 平方厘米/ V·s，增加到2DEG区域中的1500至2000 平方厘米 / V·s。与硅基解决方案相比，氮化镓晶体管及集成电路具有的高电子迁移率，可实现更高的击穿强度、更快的开关、更高的导热率和更低的导通电阻。

氮化镓时代正在不断迈步向前

氮化镓材料推动具备更高性能的晶体管及集成电路的出现，目前是勇于创新的功率设计工程师的最佳时机，于他们的设计中，发挥氮化镓器件的各种优势，包括：

更低的导通电阻，从而实现更低的传导损耗

更快速开关的器件可以实现更低的开关损耗

更小的电容在对器件进行充电及放电时，可实现更低的损耗

需要更少的功率来驱动电路

更细小的器件可以减小解决方案于印刷电路板上的占板面积

更低的成本

使用交互式产品参数和选型工具，可为您的功率转换系统，找出最理想的、基于氮化镓器件的解决方案。

来源： 矽源特科技，中恒科技

审核编辑 ：李倩