氮化鎵在射頻領域的優勢盤點

氮化鎵是一種二元III/V族直接帶隙半導體晶體，也是一般照明LED和藍光播放器最常使用的材料。另外，氮化鎵還被用于射頻放大器和功率電子器件。氮化鎵是非常堅硬的材料;其原子的化學鍵是高度離子化的氮化鎵化學鍵，該化學鍵產生的能隙達到3.4 電子伏特。

半導體物理學中，“能隙”是指使電子游離原子核軌道，并且能夠在固體內自由移動所需的能量。能隙是一個重要的物質參數，它最終決定了固體所能承受的游離電子和電場的能量。氮化鎵的能隙是3.4 電子伏，這是一個比較大的數字。這就是為何氮化鎵被稱為“大能隙半導體”的原因。

相比之下，砷化鎵的能隙為1.4 電子伏，而硅的能隙只有1.1 電子伏。圖3-2:在柵極靠近漏極的邊緣位置發生機械性能退化。

在本章中，我們將向您介紹氮化鎵的基礎知識，并且說明氮化鎵具有的哪些特性使其成為射頻功率放大器和其他高壓高頻應用的理想材料。

氮化鎵基礎知識

鎵是一種化學元素，原子序數31。鎵并非自由存在于自然中。恰恰相反，鎵是鋅和鋁生產過程中的一種副產品。壓電效應造成的材料結構性能退化。

氮化鎵復合物由鎵和氮原子排列構成，最常見的是纖鋅礦晶體結構。纖鋅礦晶體結構(圖1-1)是一種六邊形結構，其特征是有兩個晶格常數(圖中標記為a 和 c)。

在半導體領域，通常在高溫條件下(大約1,100攝氏度)，在異質襯底上(對于射頻應用，采用碳化硅作為襯底材料;對于功率電子器件應用，則采用硅作為襯底材料)，利用金屬有機化學蒸氣沉積或分子束外延技術生長氮化鎵。

碳化硅基氮化鎵方法綜合了氮化鎵的高功率密度能力，以及碳化硅的超高導熱性和低射頻損耗。正是因為這一點，碳化硅基氮化鎵方法才成為實現高功率密度射頻性能的首選方法。今天，碳化硅基氮化鎵的襯底直徑可以達到6 英寸。

硅基氮化鎵組合的導熱性能要差很多，并且射頻損耗較高，但造價較為低廉。正是因為這一點，硅基氮化鎵組合才成為低成本功率電子器件應用的首選方法。今天，硅基氮化鎵的襯底直徑可以達到8英寸。

為何氮化鎵性能優于其他半導體材料

盡管與硅和砷化鎵等其他半導體材料相比，氮化鎵是相對較新的技術，但是對于遠距離信號傳送或高端功率級別等（例如，雷達、基站收發臺、衛星通信、電子戰等）高射頻和高功率應用，氮化鎵已經成為優先選擇。

碳化硅基氮化鎵在射頻應用中脫穎而出的原因如下：

1高擊穿電場：

由于氮化鎵擁有大能隙，因此氮化鎵材料也擁有高擊穿電場，所以氮化鎵器件的工作電壓可以遠高于其他半導體器件。當受到足夠高的電場影響時，半導體中的電子能夠獲得足夠動能并脫離化學鍵（這一過程被稱為“碰撞電離”或“電壓擊穿”）。如果碰撞電離沒有得到控制，則能夠造成器件性能退化。由于氮化鎵能夠在較高電壓下工作，因此能夠用于較高功率的應用。

2高飽和速度：

氮化鎵的電子擁有高飽和速度（非常高的電場下的電子速度）。當結合大電荷能力時，這意味著氮化鎵器件能夠提供高得多的電流密度。

射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積，所以，電壓越高，電流密度越大，在實際尺寸的晶體管中產生的射頻功率越大。簡單而言，氮化鎵器件產生的功率密度要高得多。

3突出的熱屬性：

碳化硅基氮化鎵表現出不同一般的熱屬性，這主要因為碳化硅的高導熱。具體而言，這意味著在功率相同的情況下，碳化硅基氮化鎵器件的溫度不會變得像砷化鎵器件或硅器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。

什么是壓電性，壓電性為何重要？

氮化鎵有壓電性?！皦弘姟笔莻€獨出心裁的詞，意思是在壓力作用下產生的電能。

“壓電”一詞分別源自希臘語“piezein”（意思是“擠壓”）和“electric”或“electron”（意思是“琥珀色”?古人認識的電荷）。

氮化鎵有壓電性，這是因為氮化鎵的鍵是離子化的，還因為鎵原子和氮原子的連續平面間距并不一致（參見圖1-2）。當我們擠壓一個平面上的原子時，上方和下方平面的原子移動不同距離，形成凈電荷、電場和電壓。

現在，您知道了為何氮化鎵有壓電性，您可能感到奇怪：為何氮化鎵的壓電屬性這么重要。氮化鎵的壓電性導致了氮化鎵晶體管的電子溝道產生的部分電荷。壓電性還造成了晶體管的部分退化模式。

我們常用的部分消費電子器件（例如，智能手機）每天都在使用壓電屬性。體聲波和聲表面波濾波器（Qorvo生產的濾波器數量以百萬計）使用的壓電襯底是智能手機實現多頻帶功能的關鍵元件。

氮化鎵的高功率密度優勢

如前所述，碳化硅基氮化鎵是一種高射頻功率密度的半導體。在場效應管中，功率密度通常單位是W/mm，這是因為功率與柵長而不是柵面積成一定比例。顯然，如果功率密度較高，則意味著使用較少數量的器件就可獲得較高的功率，所以在功率需求一定的情況下，可以縮小器件體積。

現在，器件體積的減小并不僅僅表示材料成本的降低。小尺寸器件還意味著：

（1）降低電容：電路設計人員能夠設計帶寬更寬的放大器。

（2）減少組合損耗：您可以獲得更高的效率和增益，最終還將獲得更高的功率。

今天的移動通信基礎設施和高級軍事系統（例如，相控陣雷達、通信和電子戰）都需要高頻率、高帶寬、高功率和高效率的器件。這些應用也正是氮化鎵能夠脫穎而出的地方。

審核編輯：湯梓紅