功率器件的利器 GaN

　　GaN是什么?

　　什么是GaN?GaN中文名：氮化嫁，用化學元素來解釋就是V族化合物。六方晶系鉛鋅礦型結構，為直接帶隙半導體。室溫禁帶寬度3.39eV。電子和空穴有效慣性質量分別為0.19和0.6。電阻率>107Ω·m，電子遷移率 (1.25～1.50)×10-2m2/(V·s)。采用化學氣相淀積法制備。

　　GaN材料的研究與應用是全球半導體研究的熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好(幾乎不被任何酸腐蝕)等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

　　GaN材料系列具有低的熱產生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。工程師用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管(MESFET)、異質結場效應晶體管(HFET)、調制摻雜場效應晶體管(MODFET)等新型器件。GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

　　GaN材料系列是一種理想的短波長發光器件材料，GaN及其合金的帶隙復蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質結GaN藍色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，GaN LED的應用已經普遍，您每天都可能會見到它的身影，在交通信號燈里、彩色視頻廣告牌上、小孩的玩具中、甚至閃光燈里。GaN LED的成功不僅僅引發了光電行業中的革命。它還幫助人們投入更多的資金和注意力來發展大功率高頻率GaN晶體管。

　　GaN半導體

　　氮化鎵晶體管可耐受極度高溫，并且其頻率和功率特性遠遠高于硅、砷化鎵、碳化硅、以及迄今為止所制造的所有半導體器件。此類器件的頻率和功率處理能力對于為技術領域帶來革命的高級通信網絡中的放大器、調制器和其它關鍵器件非常重要。無線網絡基站就是一個很好的例子。

　　未來的無線網絡可使人們利用手機、PDA或其它便攜式設備訪問可支持視頻或高質量音頻應用的高速數據流。然而，如何使手機基站中的放大器能夠處理未來任何人都可隨時隨地下載全動感視頻數據時所產生的巨大數字流還是一個問題。目前，手機基站中的放大器已經接近其性能極限?，F有放大器采用的是效率只有10%的硅芯片技術，這意味著到達晶體管的能量中有90%以熱量的形式浪費了。強力的風扇必須不斷地運轉以將放大器產生的這些熱量帶走。此外，還需要復雜的電路來校正諧波和其它失真。

　　氮化鎵(GaN)晶體管可將基站放大器的效率提高到現在的兩倍或三倍，因此可以用較少數量的基站覆蓋同樣的地區，或者，更可能的情況是，在基站數量不變的情況下提供更高的數據傳輸速率。由于不再需要強力風扇和校正電路，整個基站有可能縮小到只有小型電冰箱的大小，可以安裝在電線桿上，而不必占據電話公司中心局中昂貴的空間。

　　這一速度、高功率和耐熱性能的組合還使GaN晶體管適合無數的其它應用。例如，汽油電力混合汽車需要用電路將電池中的直流電轉換為可驅動電機的交流電。GaN晶體管對此類電路非常理想。

　　氮化鎵的與眾不同之處在于它結合了碳化硅的高擊穿場強和砷化鎵、鍺硅或磷化銦材料的高頻率特性。當然對于半導體而言，性能和成本將決定最終的贏家。目前在兩方面GaN都還有許多可以改善的空間。

　　GaN功率器件

　　如果想在功率應用上使用GaN技術，必須先選擇一種基片來形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍寶石晶圓，它們在成本、供應量及尺寸方面都有缺點。雖然從前硅是最吸引的低成本基片，但使用也有困難，例如會形成瑕疵及變形。因為基片與外延膜之間在晶格常數和熱膨脹系數方面本質上不匹配，所以要完成可靠且有高品質的硅基片GaN異質外延工藝程序一向都很困難。工程人員非常努力地尋找能夠解決這些問題的控制程序和方法，最終開發了一種擁有低不良率，高一致性及器件可靠性的外延膜。

　　與傳統硅基功率器件相比，基于GaN的功率器件具有導通電阻低和能夠進行高頻操作等特性。而這些特性恰恰有利于提高電源單元轉換效率，并使電源單元更加緊湊。富士通半導體計劃在硅基板上進行GaN功率器件的商業化，從而可以通過硅晶圓直徑的增加，來實現低成本生產。按照此目標，富士通半導體自2009年起就在開發批量生產技術。此外，富士通半導體自2011年起開始向特定電源相關合作伙伴提供GaN功率器件樣品，并對之進行優化，以便應用在電源單元中。現在，富士通半導體于2013年量產GaN功率器件也是受到了市場影響以及GaN本身的優越性。

　　2012年底，富士通半導體開始與富士通研究所 (Fujitsu Laboratories Limited) 合作進行技術開發，包括開發工藝技術來增加硅基板上的高質量GaN晶體數量;開發器件技術，如優化電極的設計，來控制開關期間導通電阻的上升;以及設計電源單元電路布局來支持基于GaN的器件的高速開關。這些技術開發結果使富士通半導體在使用GaN功率器件的功率因數校正電路中成功實現了高于傳統硅器件性能的轉換效率。富士通半導體還設計了一種具有上述功率因數校正電路的服務器電源單元樣品，并成功實現了2.5kW的輸出功率。

　　2013年富士通半導體又推出基于硅襯底的氮化鎵(GaN)功率器件芯片MB51T008A，該芯片可耐壓150 V。該產品初始狀態是斷開(Normally-off)，相比于同等耐壓規格的硅功率器件，品質因數(FOM)可降低近一半。基于富士通半導體的GaN功率器件，用戶可以設計出體積更小，效率更高的電源組件，可廣泛的運用于ICT設備、工業設備和汽車電子等領域。

　　上面也提到過GaN的諸多優點，而MB51T008A本身也具有很多功率器件的優點，包括：1)導電阻13 mΩ，總柵極電荷為16 nC，使用相同的擊穿電壓，實現的品質因數(FOM)大約是基于硅的電源芯片產品的一半;2)使用WLCSP封裝，最小的寄生電感和高頻率操作;3) 專有的柵極設計，可實現默認關閉狀態，可進行常關操作。新產品是數據通信設備、工業產品和汽車電源中使用的DC-DC轉換器的高邊開關和底邊開關的理想選擇。此外，由于其支持電源電路中更高的開關頻率，電源產品可實現整體尺寸縮小和效率的提高。

　　除了提供150 V的耐壓值產品，富士通半導體還開發了耐壓為600 V 和 30 V的產品，從而有助于在更寬廣的產品領域提高電源效率。這些GaN功率器件芯片采用富士通研究所自20世紀80年代來牽頭開發的HEMT (高電子遷移率晶體管)技術。富士通半導體在GaN領域擁有大量的專利技術和IP，可迅速將GaN功率器件產品推向市場。富士通半導體還計劃與客戶在各個行業建立合作伙伴關系，以進一步拓展業務。