GaN器件简介

内容来自up主三圈，芯片界我最喜欢的up之一。在此目的是自己做个记录，怕忘记了。

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摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

来自工艺的提升带来的提升。

材料的应用也是一条升级之路，第三代半导体就是其中之一（宽禁带半导体-SiC，GaN（Gallium nitride）等）

用氮化镓做成的晶体管叫GaN FET(Field Effect Transistor)/GaN HEMT(High electron mobility transistor)

从1958年第一枚集成电路出世以来，si就是造芯片的主流材料。

 目前90%以上的芯片都是由高纯度Si做的，经过60多年的摸索，Si的性能被我们玩明白，充分发挥了出来。

 Si导电性能不错，但是不耐高压。堆器件设计和复杂工艺可以去改善Si短板，比如IGBT，硅基超结管。基本把Si的功率潜力压榨到极限了。

 GaN材料禁带更宽-材料更难导电。零界电场更高-材料更耐高压。

Ga是一种稀有金属元素。高温高压下把金属Ga和氮气或则氨气反应，就能合成GaN。

 芯片的晶体管要在高纯度低缺陷的单晶材料上制作，氮化镓的单晶提纯和制备工艺远没有Si成熟。Si片衬底现在已经量产12英寸，GaN衬底勉强能做到6英寸。成本比较高，晶体缺陷也比较多，所以很多氮化镓器件都是在Si片衬底上做出来的。

通常是在Si片衬底上外延一层氮化铝作为缓冲层，然后外延一层GaN，在外延一层很薄的氮铝化镓。

 在下面这个区域因为材料应变会形成一层二维电子气层，这个区域导电性能很好，电子迁移率很高。

 与硅通过掺杂形成PN结不同，GaN器件是通过两种不同的半导体形成一种类似PN结特性的异质结。HEMT中最典型的异质结是GaN / AlGaN组成的异质结。硅作为基础的MOSFET是通过沟道的电子进行导电，通过栅极和源极之间的电压控制沟道的宽度，进而控制电子的通过的量，这也是三极管的饱和、放大和截止三种工作状态的由来。

对于HEMT，工程师惊奇的发现二维电子气竟然也拥有和MOSFET沟道电子一样的特性。栅极和源极之间的电压差以及栅漏之间的电压差竟然也可以控制器件进入饱和、放大以及截止三种工作状态。

然后在做出源极，漏级，栅极一个GaN HEMT器件就做好了。

GaN器件由于通过二维电子气导电，它的工艺结构被设计为水平导电。

 三个对应区域给出了GaN器件的源极、漏极和栅极，黄色代表导通的电流方向（基于MOS沟道的工艺的电力器件，电流是可以双向导通的）。可以看到，导通的电流方向和器件上表面是平行的，代表这种器件是水平导电的方式。

垂直MOS结构：

在垂直结构中，MOS存在PN结，相当于在晶体管内寄生了一个二极管，会产生二极管反向恢复损耗。

 氮化镓没有内部寄生二极管，其二维电子气可以双向导通。但是反向压降大。

 和Si基结构相比，GaN电子迁移率提升了40%，开关频率高，寄生参数小，同时又因为耐高压，抗辐射，特别适合高频领域应用。

禁带宽度和临界厂强，GaN比SiC还要高一点，但是实际SiC应用更广泛，耐压也更高。这里面包括成本，工艺，材料缺陷，电场分布等原因。

 Ga成本高，很多都是在si基衬底用外延工艺做出来的。但是GaN和硅这两种材料无论是晶格大小还是热膨胀系数都不太匹配。所以嫁接效果不如SiC理想。材料中缺陷位错越多，越容易被击穿。

而且氮化镓基本都是横向型结构，容易受水平击穿效应限制，额定电压不能太高。

 与SiC和Si的MOS不同，GaN因为独特的电气特性，不需要反并联二极管。下图给出了e-HEMT的输出电气特性：

 在A区和B区，HEMT和普通的MOS一样，拥有饱和，放大以及截止三个对应的状态。但是GaN HEMT和Si以及SiC拥有不同的关断特性。

当栅极电压为0甚至为负的时候，二维电子气会呈现一个类似反并联二极管的特性。为什么是类似呢？这个时候二极管的导通电压满足：

 导通电压不仅仅需要克服一个二极管的导通电压，开需要克服一个HEMT的关断电压。这种工作模式会带来更大的的损耗。（往往二级管导通电压为1V，HEMT关断电压在2V左右）。下面这个图生动说明三种器件的三种工作模式工作模式。

 

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。