深入了解 GaN 技術

本章將深入探討氮化鎵 (GaN) 技術 ：其屬性、優點、不同制造工藝以及最新進展。這種更深入的探討有助于我們了解 ：為什么 GaN 能夠在當今這個技術驅動的環境下發揮越來越重要的作用。

GaN ：可靠的技術

GaN 是一項久經考驗的化合物半導體技術。自 20 世紀 80 年代以來，化合物半導體一直都是高性能應用中的主導微波集成電路 (IC) 技術。這是因為與簡單的硅基半導體器件相比，它們可實現卓越的速度和功率組合。

化合物半導體由元素周期表中的兩個或兩個以上不同元素族組成，而簡單的半導體器件則由硅 (Si) 等單元素組成。如圖 2-1 所示，GaN 是其中一種化合物半導體，它將元素周期表的第三列和第五列元素組合在一起，因此被稱為 III-V 化合物半導體。

圖 2-1 ：簡單半導體與 III-V 化合物半導體

這些 III-V 半導體可用于各種應用。在過去的四十年，砷化鎵 (GaAs) 應用最為廣泛，全球運行著數十億個 GaAs IC。與 GaAs 相比，GaN 可實現更出色的速度和功率處理組合。在晶體管速度給定的情況下，GaN 具有出色的功率性能，因此能夠在頻率范圍廣泛的數千個應用中取代其他技術。

GaN 單芯片微波集成電路 (MMIC) 和分立式晶體管于 2000 年代后期首次投入生產，主要針對最高功率水平的固態應用。在毫米波 (mmWave) 應用中，GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs，與競爭技術中 MMIC 提供的功率水平相比，GaN 可在 Ka 頻段實現數十瓦的功率。在較低的頻率下（如 L 頻段），GaN 晶體管可實現超過 1,000 瓦的功率！

正如我們在第 1 章中提到的，GaN 可以使用多種基板材料，如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金剛石。GaN 可與高熱導率基板（如 SiC）兼容，從而增強了其在高功率應用中的優越性。

體管 GaN 固有的材料屬性如何創造卓越的射頻晶

從概念上講，使用 GaN 構建的場效應晶體管 (FET) 與使用其他半導體材料（如 GaAs、磷化銦 (InP) 或 Si）構建的使用柵極觸點或節點的晶體管類似。如果為 GaN 射頻 (RF) 器件，其實現通常是耗盡型高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

耗盡型 HEMT 對柵電極施加負偏壓。這樣就切斷了漏極和源極之間的電流。當施加的柵電壓為零時，耗盡型 FET 設計為處于開啟狀態 ；可通過將柵極拉大閾值電壓以下將其關閉。

GaN 器件由縱向材料結構和橫向結構組成，前者定義了許多固有屬性，后者實現了與材料結構的接觸并電荷流的控制（參見圖 2-2）。與其他 FET 一樣，橫向結構包括源極、漏極和柵極觸點。通常，附近還有其他結構提供磁場控制，如圖 2-2 中所示的源場板。

靜觀其變:

Qorvo 制作了一個非常有用的視頻，解釋如何正確地打開或關閉 GaN HEMT 晶體管。欲查看“如何偏置 GaN 晶體管 ：入門教程”，請訪問 ： www.qorvo.com/design-hub/videos/how-to-bias-gantransistors-an-introducti...。

圖 2-2 ：基本的 GaN FET 幾何結構

下面為圖 2-2 所示內容 ：

? 屏障提供了兩個關鍵功能 ：實現柵極和信道之間的隔離，以及支持電子流動的電荷容量。它通常由氮化鎵鋁 (AlGaN) 制成。

? 信道為純 GaN。它可以為漏極觸點和源極觸點之間的電流提供傳導路徑。GaN 的高飽和速度和遷移率可實現器件漏極和源極之間的高速傳輸和電流電平。

? 緩沖用于限制信道內的電荷流，以避免泄漏到基板，并保證晶體管器件之間的隔離。

? 基板決定了器件的機械和散熱性能。功耗較高的器件可受益于具有較高熱導率的基板。SiC 基板材料使用便捷，可提供出色的散熱性能，同時兼容 GaN 材料生長和 MMIC 制備。

以下是橫向結構的重要功能 ：

? 器件的柵極控制從漏極到源極觸點且流經器件的電流。柵極的 長度決定了器件的速度和電子流經控制區域的時間。

? 源極和漏極觸點提供本征器件的低阻接入。柵極與這些觸點之 間的隔離不僅會產生不必要的寄生接入電阻，而且還會增加支 持預期操作所需的擊穿電壓。

GaN 工藝選項解密

通過在晶體管速度、電流能力、擊穿電壓、效率和可靠性之間進行權衡， 可針對目標應用對 FET 進行優化。為滿足不同 GaN 應用的需求，制造商 提供了頻率和功率水平范圍廣泛的多種工藝技術。有了多個 GaN 工藝可供 選擇，電路設計人員可以將特定的 GaN 工藝技術與應用進行最優匹配，從 而簡化并加快設計。圖 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工藝技術，這些技 術旨在適應多個市場領域的各種應用。

圖 2-3 ：AB 類性能的 Qorvo GaN 工藝技術選項

例如，功率非常高的應用（如工作頻率為 2 GHz 的 1 kW 晶體管）將受益于具有較高擊穿電壓的 GaN 工藝，因為它提高了工作電壓和射頻功率密度。工作電壓的提高也會提高輸出效率。這是提高接入電阻和降低晶體管速度之間的權衡。Qorov GaN50 工藝能夠在 65 V 的電壓條件下運行，同時也具有這些優勢。

毫米波功率放大器 (PA) 應用（如工作頻率為 30 GHz 的 20 W MMIC）要求使用能夠在高頻率條件下提供較高增益的高速器件。器件設計的權衡將有利于縮短柵極長度，最小化接入電阻，以及最大限度地提高電流容量。從而可以降低擊穿電壓和功率密度。Qorov GaN15 工藝能夠在最高 28 V 的電壓條件下運行，同時也具有這些優勢。

在這兩個示例中，GaN 器件提供了比其他技術更高的工作電壓，從而展示了該技術固有的速度和電壓優勢。較高工作電壓的優勢不僅僅局限于 PA 電路，它還可以為整個系統帶來好處。

例如 ：相位陣天線系統（GaN PA 的常見應用）可能需要數百或數千個單獨的功率放大器。

這些天線陣列系統中的直流配電一直都是一大難題，因為電源會占據空間，增加重量，并引起直流電源損耗。但 GaN 具有較高的工作電壓，可實現更低的直流電流和出色的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 性能，以應對這些系統所面臨的直流配電挑戰。

GaN 器件的可靠性評估

在所有電子系統中，可靠性都極其重要，因此在選擇半導體時，可靠性是一個關鍵考慮因素。GaN 的一個關鍵優勢就是，與其他半導體相比，它可以在更高的電壓和功率密度下運行。GaN 可以滿足這些嚴苛要求，在高結溫條件下具有經過實踐證明的可靠性，同時可在 200℃ 溫度條件下實現超過 107（1000 萬）小時的平均無故障時間 (MTTF)，在 225℃ 溫度條件下實現超過 106（100 萬）小時的平均無故障時間。GaN 具有更高的安全運行通道溫度和更長的使用壽命，使系統設計人員能夠推動其應用和產品的進步。

GaN 制造商采用不同的故障分析方法 ：一些依賴于熱成像，而另一些則使用熱成像、產品包裝測試和建模的組合方法。但所有制造商和標準機構都同意 ：與其他技術相比，GaN 在高功率、高溫應用方面更可靠。如圖 2-4 中所示，GaN 的可靠性遠遠超過了基于 GaAs 的晶體管。

圖 2-4 ：使用 Qorvo MTTF 曲線進行

GaN 與 GaAs 技術器件的可靠性比較示例 GaN 應用通常會使器件處于更高應力的工作條件下，如更高的電流密度、更高的環境溫度和更高的電場。無論是器件設計還是器件使用的結果，這些問題都可能是由壓電效應、熱失配或封裝引起的。

GaN 器件還有一個需要注意的固有器件特性 ：由 GaN 固有的壓電特性引起的應力。圖 2-5 展示了 GaN FET 的峰值應力區域。然而，在 GaN 器件中，這種行為很好表征，也易于理解。因此，使用目前的 GaN 工藝技術，這不再是問題。

圖 2-5 ：FET 的高電場區域

如今，GaN 器件被用于可靠性要求最嚴苛且最具挑戰性的各種應用，包括任務關鍵型系統和航空應用。GaN 的可靠性和穩定性超越了晶體管和 MMIC 工藝，經過優化可應對 GaN 應用范圍不斷擴大所面臨的電氣、散熱和環境挑戰。其環境穩定性可實現當今所有 GaN 工藝的裸片級高加速應力測試 (HAST) 兼容性。GaN 的封裝和互連技術也在不斷進步，以保持同步。

例如 ：當今的 Qorvo GaN 技術可用于大批量、制造成熟度 10 級 (MRL 10) 的成熟工藝。MRL 是美國國防部 (DOD) 制定的一種衡量標準，用于評估制造成熟度。MRL 10 是最高級別的制造成熟度，表明全速生產和精益生產實踐已經就緒。

GaN 技術不斷進步，以支持更廣泛的應用。這些進步包括在寬帶頻率范圍中支持更高的工作頻率和不斷增加的功率水平。與大多數其他技術進步一樣，小批量生產能力正在向大批量的成熟生產工藝轉移。

GaN 的一個關鍵進步就是，通過縮短 GaN 柵極長度，可在極高頻率（100 GHz 或更高）下運行。另一個進步就是輸出功率水平 ：當工作電壓提高時，GaN 可以在較低的頻率下實現較高的功率密度。

如今，GaN PA 設計通常遵循這樣一個原則 ：1 GHz 頻率下為數千瓦，10 GHz 頻率下為數百瓦，100 GHz 頻率下為數十瓦。在過去五年，這一粗略的品質因數翻了三倍，且仍在繼續提高。

GaN 技術將繼續發展，同時進一步擴大 GaN PA 頻率范圍，提高其功率水平。其他參數也正在探索之中，如增加高功率放大器 (HPA) 帶寬和提高效率。GaN 器件性能的提高和電路設計技術的進步可實現這些領域的不斷進步。

GaN 在過去 20 年中已經長足發展，如今正在進一步改進，實現更廣泛部署。我們可以肯定的是，未來 GaN 技術將進一步改進，其應用范圍也將更加廣泛。

文章來源： Qorvo半導體

審核編輯 黃宇