一文深入了解 GaN 技术

GaN 是一项久经考验的化合物半导体技术。自 20 世纪 80 年代以来，化合物半导体一直都是高性能应用中的主导微波集成电路 (IC) 技术。这是因为与简单的硅基半导体器件相比，它们可实现卓越的速度和功率组合。

化合物半导体由元素周期表中的两个或两个以上不同元素族组成，而简单的半导体器件则由硅 (Si) 等单元素组成。如下图所示，GaN 是其中一种化合物半导体，它将元素周期表的第三列和第五列元素组合在一起，因此被称为 III-V 化合物半导体。

简单半导体与 III-V 化合物半导体

这些 III-V 半导体可用于各种应用。在过去的四十年，砷化镓 (GaAs) 应用最为广泛，全球运行着数十亿个 GaAs IC。与 GaAs 相比，GaN 可实现更出色的速度和功率处理组合。在晶体管速度给定的情况下，GaN 具有出色的功率性能，因此能够在频率范围广泛的数千个应用中取代其他技术。

GaN 单芯片微波集成电路 (MMIC) 和分立式晶体管于 2000 年代后期首次投入生产，主要针对最高功率水平的固态应用。在毫米波 (mmWave) 应用中，GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs，与竞争技术中 MMIC 提供的功率水平相比，GaN 可在 Ka 频段实现数十瓦的功率。在较低的频率下（如 L 频段），GaN 晶体管可实现超过 1,000 瓦的功率！

GaN 可以使用多种基板材料，如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金刚石。GaN 可与高热导率基板（如 SiC）兼容，从而增强了其在高功率应用中的优越性。

晶体管 GaN 固有的材料属性如何创造卓越的产品

从概念上讲，使用 GaN 构建的场效应晶体管 (FET) 与使用其他半导体材料（如 GaAs、磷化铟 (InP) 或 Si）构建的使用栅极触点或节点的晶体管类似。如果为 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 对栅电极施加负偏压。这样就切断了漏极和源极之间的电流。当施加的栅电压为零时，耗尽型 FET 设计为处于开启状态 ；可通过将栅极拉大阈值电压以下将其关闭。

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属性，后者实现了与材料结构的接触并电荷流的控制（参见下图）。与其他 FET 一样，横向结构包括源极、漏极和栅极触点。通常，附近还有其他结构提供磁场控制，如图 2-2 中所示的源场板。

基本的 GaN FET 几何结构

» 屏障提供了两个关键功能 ：实现栅极和信道之间的隔离，以及支持电子流动的电荷容量。它通常由氮化镓铝 (AlGaN) 制成。

» 信道为纯 GaN。它可以为漏极触点和源极触点之间的电流提供传导路径。GaN 的高饱和速度和迁移率可实现器件漏极和源极之间的高速传输和电流电平。

» 缓冲用于限制信道内的电荷流，以避免泄漏到基板，并保证晶体管器件之间的隔离。

» 基板决定了器件的机械和散热性能。功耗较高的器件可受益于具有较高热导率的基板。SiC 基板材料使用便捷，可提供出色的散热性能，同时兼容 GaN 材料生长和 MMIC 制备。

以下是横向结构的重要功能：

» 器件的栅极控制从漏极到源极触点且流经器件的电流。栅极的 长度决定了器件的速度和电子流经控制区域的时间。

» 源极和漏极触点提供本征器件的低阻接入。栅极与这些触点之 间的隔离不仅会产生不必要的寄生接入电阻，而且还会增加支持预期操作所需的击穿电压。