氮化镓（(GaN)_技术：属性、优点、不同制造工艺及最新进展）

本章将讨论氮化镓(GaN)技术：它的性质、优点、不同的制造工艺和最新进展。这一深入的讨论将有助于我们理解为什么GaN可以在当今技术驱动的环境中发挥越来越重要的作用。

GaN:可靠的技术GaN是一种久经考验的化合物半导体技术。自20世纪80年代以来，化合物半导体一直是高性能应用中占主导地位的微波集成电路(IC)技术。这是因为与简单的硅基半导体器件相比，它们可以实现速度和功率的完美结合。化合物半导体由元素周期表中两种或两种以上不同组的元素组成，而简单半导体器件由硅(Si)等单一元素组成。如图2-1所示，GaN是化合物半导体的一种，它结合了元素周期表第三、第五列的元素，所以称为III-V族化合物半导体。

图2-1:简单半导体和III-V族化合物半导体这些III-V族半导体可用于各种应用。在过去的40年里，砷化镓(GaAs)得到了最广泛的应用，数十亿个GaAs集成电路在世界各地运行。与GaAs相比，GaN可以实现速度和处理能力的更好结合。鉴于晶体管的速度，GaN具有出色的功率性能，因此它可以在宽频率范围的数千种应用中取代其他技术。GaN单片微波集成电路(MMIC)和分立晶体管于2000年代末首次投入生产，主要用于功率水平最高的固态应用。在毫米波(mmWave)应用中，GaN已经在更高的功率水平上取代了GaAs。与MMIC在竞争技术中提供的功率水平相比，GaN可以在Ka波段实现几十瓦的功率。在更低的频率下(如L波段)，GaN晶体管可以实现1000瓦以上的功率！正如我们在第一章中提到的，GaN可以使用多种衬底材料，如硅、碳化硅(SiC)、GaN和金刚石。GaN可以与高热导率衬底(如SiC)兼容，从而增强其在高功率应用中的优势。从概念上讲，用GaN构造的场效应晶体管(FET)类似于用其他半导体材料(例如GaAs、InP或Si)构造的晶体管，并且使用栅极接触或节点。如果是GaN射频(RF)器件，其实现通常是耗尽型高电子迁移率晶体管(HEMT)。耗尽型HEMT向栅电极施加负偏压。这切断了漏极和源极之间的电流。当施加的栅极电压为零时，耗尽型FET设计为导通。通过将其拉至阈值电压以下，可以关闭栅极。GaN器件由纵向材料结构和横向结构组成，前者定义了许多固有性质，后者实现了与材料结构的接触和对电荷流动的控制(见图2-2)。像其他fet一样，横向结构包括源极、漏极和栅极接触。通常，附近还有其他结构提供磁场控制，如图2-2所示的源场板。

采取观望态度

Qorvo制作了一个非常有用的文章来解释如何正确地打开或关闭GaN HEMT晶体管。要查看“如何偏置GaN晶体管：入门”，

图2-2:基本GaN FET几何图形。下面是图2-2所示的内容：势垒提供了两个关键功能：栅极和沟道之间的隔离，以及支持电子流的电荷容量。它通常由氮化铝镓(AlGaN)制成。沟道是纯GaN。它可以为漏极接触和源极接触之间的电流提供传导路径。GaN的高饱和速度和迁移率可以实现器件漏源之间的高速传输和电流水平。缓冲用于限制沟道中的电荷流动，以避免电荷泄漏到衬底，并确保晶体管器件之间的隔离。衬底决定了器件的机械和散热性能。具有较高功耗的器件可以受益于具有较高热导率的衬底。SiC衬底材料易于使用，可以提供优异的散热性能，并且与GaN材料生长和MMIC制备兼容。下面是横向结构的一个重要作用：器件的栅极控制着从漏极到源极触点的电流，流经器件。栅极的长度决定了器件的速度和电子流过控制区的时间。源极和漏极接触提供了到本征器件的低电阻通路。栅极和这些触点之间的隔离不仅会产生不必要的寄生接入电阻，还会增加支持预期操作所需的击穿电压。GaN工艺选项解决方案可通过平衡晶体管速度、电流能力、击穿电压、效率和可靠性，针对目标应用优化FET。为了满足不同GaN应用的需求，制造商在频率和功率水平方面提供了广泛的工艺技术。有多种GaN工艺可供选择，电路设计人员可以将特定的GaN工艺技术与应用进行最佳匹配，从而简化和加快设计。图2-3显示了Qorvo的GaN工艺技术系列，旨在适应许多市场领域的各种应用。

图2-3:具有AB类性能的Qorvo GaN工艺技术选项。例如，非常高功率的应用(例如工作在2 GHz的1 kW晶体管)将受益于具有更高击穿电压的GaN工艺，因为它提高了工作电压和RF功率密度。工作电压的提高也会提高输出效率。这是增加访问电阻和降低晶体管速度之间的权衡。Qorov GaN50工艺可以在65 V下运行，它也有这些优点。毫米波功率放大器(PA)应用(例如工作频率为30 GHz的20 W MMIC)需要使用高速器件，以便在高频下提供高增益。器件设计的折衷将有助于缩短栅极长度、最小化访问电阻和最大化电流容量。从而可以降低击穿电压和功率密度。Qorov GaN15工艺可以在最高28 V的电压下运行，它也有这些优点。在这两个例子中，GaN器件提供了比其他技术更高的工作电压，从而证明了这种技术固有的速度和电压优势。更高工作电压的优势不仅限于PA电路，还能给整个系统带来好处。例如，相控阵天线系统(GaN PA的常见应用)可能需要数百或数千个独立的功率放大器。这些天线阵列系统中的DC功率分配一直是个大问题，因为电源会占用空间、增加重量并造成DC功率损失。然而，GaN具有更高的工作电压，可以实现更低的DC电流和出色的尺寸、重量、功耗和成本(SWaP-C)性能，以满足这些系统面临的DC分布挑战。GaN器件的可靠性评估在所有的电子系统中，可靠性是极其重要的，因此在选择半导体时，可靠性是一个关键的考虑因素。GaN的一个关键优势是它可以在比其他半导体更高的电压和功率密度下工作。GaN可以满足这些严格的要求，在高结温下具有可靠的可靠性。同时，它可以在200下实现超过107(1000万)小时的平均无故障时间(MTTF)，在225下实现超过106(100万)小时的平均无故障时间。GaN具有更高的安全工作通道温度和更长的使用寿命，这使得系统设计者能够促进其应用和产品进步。GaN制造商使用不同的故障分析方法：一些依赖于热成像，而另一些使用热成像、产品封装测试和建模的组合。但所有制造商和标准机构都认为GaN在高功率和高温应用中比其他技术更可靠。如图2-4所示，氮化镓的可靠性远远超过GaAs晶体管。

图2-4:使用Qorvo MTTF曲线比较GaN和GaAs器件的可靠性。GaN的应用通常使器件处于更高应力的工作条件下，如更高的电流密度、更高的环境温度和更高的电场。无论是器件设计还是器件使用的结果，这些问题都有可能是压电效应、热不匹配或者封装造成的。GaN器件还有一个固有的器件特性需要注意：GaN固有的压电特性引起的应力。图2-5显示了GaN FET的峰值应力区。然而，在GaN器件中，这种行为被很好地表征并且容易理解。所以用现在的GaN工艺技术，这已经不是问题了。

图2-5:场效应晶体管的高电场区域。如今，GaN器件用于要求最苛刻、最具挑战性的应用中，包括关键任务系统和航空应用。GaN的可靠性和稳定性超越了晶体管和MMIC工艺，可以进行优化，以满足GaN应用范围不断扩大所面临的电气、散热和环境挑战。其环境稳定性可实现当今所有GaN工艺的芯片级高加速应力测试(HAST)兼容性。GaN的封装和互连技术也在不断改进。例如，今天的Qorvo GaN技术可以用于制造成熟度级别为10 (MRL 10)的大量成熟工艺中。MRL是美国国防部(DOD)制定的衡量标准，用于评估制造成熟度。MRL 10是制造业成熟度的最高水平，表明全速生产和精益生产实践已经就绪。GaN技术正在不断改进，以支持更广泛的应用。这些进步包括支持更高的工作频率和提高宽带频率范围内的功率水平。像大多数其他技术进步一样，小批量生产能力正在向大批量成熟生产技术转移。GaN的一个关键进步是，通过缩短GaN的栅极长度，它可以在非常高的频率(100 GHz或更高)下工作。另一个进步是输出功率水平：当工作电压提高时，GaN可以在更低的频率下实现更高的功率密度。现在GaN PA的设计通常遵循1 GHz几千瓦，10 GHz几百瓦，100 GHz几十瓦的原则。在过去的五年中，这一粗略的质量因素增加了两倍，并继续改善。GaN技术将继续发展，同时进一步扩展GaN PA的频率范围，提高其功率水平。其他参数也在探索中，例如增加高功率放大器(HPA)的带宽和提高效率。GaN器件性能的提高和电路设计技术的进步可以实现这些领域的不断进步。GaN在过去20年中取得了巨大的进步，现在正在进一步改进，以实现更广泛的部署。可以肯定的是，未来GaN技术将会进一步完善，应用范围将会更加广泛。审核编辑黄浩宇