氮化鎵GaN FET和HEMT是什么？它們?nèi)绾喂ぷ鳎?

氮化鎵GaN FET和HEMT是什么？它們?nèi)绾喂ぷ鳎?/span>

氮化鎵、GaN FET 或 GaN 晶體管越來(lái)越多地用于許多功率模塊和器件以及射頻功率電路設(shè)計(jì)。通常，術(shù)語(yǔ) GaN HEMT 和 GaN 晶體管可以互換使用。

氮化鎵非常高的電子遷移率，GaN 能夠制造具有低導(dǎo)通電阻值和非常高的開(kāi)關(guān)頻率能力的半導(dǎo)體器件。

       這些優(yōu)勢(shì)意味著 GaN FET 被用于許多新的電子電路設(shè)計(jì)中，從電力系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源應(yīng)用到射頻功率放大器、其他射頻設(shè)計(jì)電路等。

       GaN FET 使用兩種半導(dǎo)體材料之間的界面來(lái)產(chǎn)生稱(chēng)為 2DEG 的非常薄的區(qū)域，以提供非常高水平的電子遷移率，從而形成 GaN HEMT 或高電子遷移率晶體管。

通常 GaN 晶體管技術(shù)用于制造單片微波 IC，即在微波頻率下提供高水平性能的 MMIC。

什么是氮化鎵

氮化鎵是一種化合物半導(dǎo)體材料，使用元素周期表中 III 和 V 族的材料。物理上，該材料非常堅(jiān)硬，努氏硬度系數(shù)為 14.21 GPa，GaN 具有其他一些有趣的物理屬性，但這里感興趣的是電學(xué)特性。氮化鎵具有 3.5eV 的寬帶隙，與碳化硅非常相似，這使得它非常適合用作許多半導(dǎo)體器件的原材料。 GaN 具有一些非常有用的特性，使其成為許多電源應(yīng)用的理想選擇。它可以承受高工作電壓，處理高功率，并且可以在高頻下工作，使其成為從移動(dòng)通信、5G、6G 等到航空航天和衛(wèi)星通信的許多射頻應(yīng)用的理想選擇。

對(duì)于 GaN 電子元件本身的制造，氮化鎵需要形成在通常被稱(chēng)為偽基板的東西上，由于化學(xué)原因，不可能制造 GaN 本身的基板。通常將 GaN 沉積在硅或碳化硅上，以得到硅上 GaN，通常稱(chēng)為 Si 上 GaN 或碳化硅上 GaN，稱(chēng)為 GaN on SiC。

硅基氮化鎵器件比碳化硅基氮化鎵器件便宜，但碳化硅基氮化鎵具有許多優(yōu)勢(shì)：

GaN on SiC 具有更高的熱導(dǎo)率：   由于碳化硅的熱導(dǎo)率更高，整體 GaN on SiC 具有更高的熱導(dǎo)率，通常是硅上 GaN 的 3 倍。這意味著與相同幾何形狀的硅基氮化鎵器件相比，碳化硅基氮化鎵器件具有更高的效率、更高的可靠性和更高的功率密度。

碳化硅具有較低的相對(duì)介電常數(shù)：碳化硅   的較低相對(duì)介電常數(shù)意味著 SiC 上的 GaN 器件可以具有比硅上 GaN 器件更高的帶寬。

基材的另一種可能性是合成金剛石。這提供了高水平的導(dǎo)熱性，但成本遠(yuǎn)高于硅基氮化鎵和 SiC 基氮化鎵。

什么是 2DEG

本質(zhì)上，2DEG 代表二維電子氣，它是 HEMT 技術(shù)背后的核心概念。

下面解釋這背后的基本概念。

GaN HEMT 概念

GaN FET 或 GaN 晶體管本質(zhì)上是高電子遷移率晶體管或 HEMT。HEMT 的概念已為人所知多年，并已用于其他 FET 技術(shù)。

氮化鎵的化學(xué)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“纖鋅礦”結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)是 GaN 晶體管進(jìn)行 HEMT 操作的關(guān)鍵。

GaN 晶體的纖鋅礦結(jié)構(gòu)賦予材料壓電效應(yīng)。這主要是由于晶格內(nèi)的帶電元素而實(shí)現(xiàn)的。如果結(jié)構(gòu)受到應(yīng)變，那么變形將導(dǎo)致晶格中產(chǎn)生電場(chǎng)的原子發(fā)生非常小的位移：應(yīng)變水平越高，產(chǎn)生的電場(chǎng)就越大。

當(dāng)在氮化鎵GaN晶體上生長(zhǎng)氮化鋁鎵AlGaN層時(shí)，兩個(gè)晶格之間的界面不完全匹配，因此建立了應(yīng)變。

       該應(yīng)變誘導(dǎo)二維電子氣，2DEG。這種二維電子氣具有高導(dǎo)電性，因?yàn)殡娮颖幌拗圃诮缑嫣幏浅Ｐ〉膮^(qū)域內(nèi)。這實(shí)際上將電子遷移率從普通 GaN 中的約 1000 cm 2 /V˙s 翻倍到 2DEG 區(qū)域內(nèi)的 1500 和 2000 cm 2 /V˙s 之間。這種高電子濃度和遷移率是 HEMT 的基礎(chǔ)，在這種情況下是 GaN HEMT。

發(fā)現(xiàn) 2DEG 的質(zhì)量對(duì)沿界面的電子傳輸有顯著影響，因此對(duì)最終器件的性能有很大影響。

通過(guò)二維區(qū)域（實(shí)際上是通道）的電子流動(dòng)由 FET 以正常方式的柵極電位控制。

GaN晶體管結(jié)構(gòu)和操作

所有 GaN FET 或 HEMT 都采用相同的基本技術(shù)，并利用 HEMT 結(jié)構(gòu)及其二維電子氣區(qū)域?yàn)槠骷峁┗静僮髂Ｊ健?

GaN HEMT 有耗盡模式和增強(qiáng)模式兩種。

耗盡型：   耗盡型GaN晶體管常導(dǎo)通；為了將其關(guān)閉，必須將相對(duì)于漏極和源極的負(fù)電壓施加到柵極。

增強(qiáng)模式：   增強(qiáng)模式或 e-mode FET 是那些通常關(guān)閉的。它們通過(guò)向相對(duì)于漏極和源極的柵極施加正電壓來(lái)開(kāi)啟。

自然，兩種類(lèi)型的實(shí)際 FET 的結(jié)構(gòu)略有不同。這些電子元件的不同制造商也采用了多種方法，但基本操作原理完全相同。

耗盡型 GaN 晶體管

耗盡型 GaN HEMT 的基本結(jié)構(gòu)由三個(gè)電極組成，即源極、漏極和柵極，這與場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常預(yù)期的一樣。

制造源極和漏極，因此它們不位于 AlGaN 層上，而是直接與 GaN 區(qū)域接觸，因此與 2DEG 接觸。

       由于這是耗盡型 HEMT，因此會(huì)在漏極和源極之間產(chǎn)生短路。

為了減少通過(guò) 2DEG 的電子流，相對(duì)于漏極和源極向柵極施加負(fù)電位，這會(huì)耗盡電子溝道，從而降低溝道電導(dǎo)率。

有許多方法可以制造這些設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)使用鎳-金或鉑等細(xì)節(jié)直接在 AlGaN 頂部沉積金屬層來(lái)創(chuàng)建肖特基柵電極。創(chuàng)建了一個(gè)肖特基勢(shì)壘，可以控制溝道電導(dǎo)率。

刪除模式 GaN HEMT 也已使用絕緣層制造，然后在其上沉積金屬柵極。這種方法與硅 MOSFET 技術(shù)有許多相似之處。

雖然耗盡型晶體管適用于許多電子電路設(shè)計(jì)，但它們往往不用于電力系統(tǒng)，因?yàn)椴唤ㄗh在電力系統(tǒng)中使用通常可用的大電流源，而設(shè)備在開(kāi)啟時(shí)會(huì)短路。

增強(qiáng)型 GaN 晶體管

有幾種方法已用于創(chuàng)建增強(qiáng)型 GaN 晶體管。通常，它們?cè)谥圃爝^(guò)程中涉及更多一些，但它們往往被廣泛使用。

有五種主要結(jié)構(gòu)可用于增強(qiáng)型 GaN FET。它們是：級(jí)聯(lián)混合、直接驅(qū)動(dòng)混合、注入柵極、pGaN 柵極和凹入柵極。

一些主要的結(jié)構(gòu)技術(shù)如下所述：

注入柵極：創(chuàng)建增強(qiáng)型 GaN FET 的一種方法是將氟原子注入柵極區(qū)域中的 AlGaN 勢(shì)壘層。氟原子在 AlGaN 層中產(chǎn)生負(fù)電荷，這會(huì)耗盡該區(qū)域 2DEG 平面的電子。

該區(qū)域頂部的肖特基柵極提供控制，因?yàn)楫?dāng)施加正偏壓時(shí)，電子將被吸引回該區(qū)域的 2DEG 平面并且電流將流動(dòng)。在頻道中。

凹柵結(jié)構(gòu)： 凹柵結(jié)構(gòu)是通過(guò)減薄 2DEG 平面上方的 AlGaN 勢(shì)壘區(qū)而形成的。這降低了該區(qū)域中由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓。達(dá)到一個(gè)點(diǎn)，晶體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力產(chǎn)生的電壓小于肖特基金屬柵極的內(nèi)置電壓，并且在零偏壓的情況下，2DEG 平面在此處被消除。

如果在柵極上施加正偏壓，則電子會(huì)被吸引回兩種半導(dǎo)體材料之間的界面，并且電流能夠根據(jù)偏壓水平流動(dòng)。

隨著 GaN 半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，因?yàn)樗鼮樯漕l設(shè)計(jì)和許多電源設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)，未來(lái)幾年將會(huì)有更多的發(fā)展以及設(shè)備的新格式和結(jié)構(gòu)。

GaN晶體管應(yīng)用

GaN HEMT 或晶體管技術(shù)用于電子電路設(shè)計(jì)和射頻設(shè)計(jì)的許多領(lǐng)域。所生產(chǎn)的 GaN 晶體管的參數(shù)意味著它們適用于需要高功率、高頻或高性能或這些參數(shù)的任意組合的許多不同應(yīng)用。

電源系統(tǒng)：從開(kāi)關(guān)模式電源、電源開(kāi)關(guān)、電動(dòng)汽車(chē)等需要電源開(kāi)關(guān)器件的所有領(lǐng)域，GaN HEMT 都適用于其中的許多應(yīng)用。這些器件的快速開(kāi)關(guān)和低導(dǎo)通電阻意味著效率水平很高。高擊穿電壓還意味著可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高電平的切換。

射頻功率放大器：高功率能力和高速的結(jié)合意味著 GaN FET 技術(shù)是射頻功率放大器的理想選擇。

GaN FET 技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，從高可靠性、高效率水平到在高頻下工作的能力。因此，GaN 技術(shù)用于許多 RF 功率放大器，用于各種應(yīng)用，包括使用它的移動(dòng)通信，特別是用于 5G、6G 等的基站。它還用于具有高可靠性和彈性的衛(wèi)星應(yīng)用以及可以返回的高效率水平是非常令人感興趣的。

GaN RF 開(kāi)關(guān)：GaN FET 的另一個(gè)應(yīng)用是作為 RF 開(kāi)關(guān)。在許多情況下都需要射頻切換，這些電子元件提供了切換射頻電路的理想方式。它們能夠處理比同樣用于 RF 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的 GaAsFET 更高的功率水平。

GaN FET 能夠使用與 GaAsFET 開(kāi)關(guān)相同的基本射頻設(shè)計(jì)架構(gòu)，但會(huì)改變電子注釋值等。作為射頻開(kāi)關(guān)，這些 GaN 晶體管由于其低導(dǎo)通電阻而能夠提供低開(kāi)關(guān)損耗，它們具有高隔離度、出色的線(xiàn)性度，并且它們可以處理比 GaAsFET 高得多的功率水平。

GaN 低噪聲放大器：GaN FET 的高頻能力意味著它們不僅可以作為功率放大器運(yùn)行，還可以在接收端作為前端低噪聲放大器 LNA。在這個(gè)角色中，這些電子元件能夠表現(xiàn)良好，提供低噪聲系數(shù)，這是射頻電路設(shè)計(jì)中這個(gè)角色的關(guān)鍵。

然而，鑒于它們的高功率能力和總體穩(wěn)健性，它們能夠承受高輸入功率水平，這與 GaAsFET 不同，GaAsFET 很容易受到過(guò)載和 ESD 的影響。因此，GaN FET 開(kāi)始作為眾多示例之一用于雷達(dá)裝置。

它們對(duì) RF 電平的高耐受性的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可能并不總是需要循環(huán)器。由于環(huán)行器會(huì)引入損耗，這會(huì)降低整體接收器靈敏度并吸收一些發(fā)射器功率。

GaN 混頻器：氮化鎵 FET 也可用于高性能射頻混頻器。在這里，這些電子元件可以提供的高線(xiàn)性度及其對(duì)高功率水平的彈性，意味著它們正在許多新的射頻設(shè)計(jì)中取代基于 GaAsFET 的混頻器。

MMIC：GaN FET 技術(shù)也用于許多單片微波 IC、MMIC。由于 MMIC 需要在各種 RF 設(shè)計(jì)模塊中擴(kuò)展其頻率范圍，GaN 技術(shù)非常適合用于提供各種 RF 功能的 MMIC。

GaN技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使用GaN技術(shù)的電子元件總是有可能在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。

氮化鎵技術(shù)在功率和射頻電路設(shè)計(jì)的許多領(lǐng)域變得越來(lái)越普遍。這些設(shè)備的成本仍然高于使用舊技術(shù)的同類(lèi)設(shè)備，但收益有時(shí)會(huì)超過(guò)成本損失，并且在許多情況下會(huì)降低產(chǎn)品的總體成本。因此，GaN FET 或 GaN HEMT 出現(xiàn)在許多射頻設(shè)計(jì)以及許多新的電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中。

深圳市晶光華電子有限公司專(zhuān)注石英晶振生產(chǎn)26年，強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)，服務(wù)超過(guò)5000+客戶(hù)，年產(chǎn)能6億PCS，1天試樣，3天測(cè)試，1周交貨；如果您對(duì)我們的石英晶振感興趣，歡迎咨詢(xún)我們的客服，獲取詳細(xì)資料，我們將為您提供專(zhuān)業(yè)貼心的服務(wù)。