如何使用氮化鎵器件：引進(jìn)氮化鎵晶體管技術(shù)

本文是專為功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師及工程經(jīng)理而設(shè)的連載文章的第一章。我們?cè)谖磥?lái)數(shù)個(gè)月將介紹應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換的氮化鎵技術(shù)，并討論其基本設(shè)計(jì)及輔以應(yīng)用范例。硅器件已稱王多時(shí)，現(xiàn)在我們可利用一個(gè)全新技術(shù)替代它!

氮化鎵啟航

HEMT(高電子遷移率晶體管)氮化鎵(GaN)晶體管大約最早在二零零四年出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)日本的Eudyna公司推出一種耗盡型射頻晶體管。通過(guò)在碳化硅基板上使用氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)了為射頻市場(chǎng)而設(shè)的晶體管。高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)基于在接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處異常高的電子遷移率，被描述為二維電子氣(2DEG)。將這種現(xiàn)象應(yīng)用于碳化硅上生長(zhǎng)的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)吉赫茲頻率范圍內(nèi)的基準(zhǔn)功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一種耗盡型射頻高電子遷移率晶體管，首次利用硅基上生成的氮化鎵晶圓制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技術(shù)。

隨著另外幾家公司參與市場(chǎng)發(fā)展，氮化鎵射頻晶體管在射頻應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進(jìn)。但在這個(gè)市場(chǎng)以外的認(rèn)受性卻非常有限，主要的原因是器件的成本和耗盡型器件的操作并不方便。

宜普公司在二零零九年六月推出了首款增強(qiáng)型硅基氮化鎵(eGaN®)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。這種晶體管專門設(shè)計(jì)用于替代功率MOSFET器件。這些產(chǎn)品可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅的制造技術(shù)和設(shè)備，以低成本大批量生產(chǎn)。

我們對(duì)功率半導(dǎo)體最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的結(jié)構(gòu)如果不具備這些特征的話，便不可能商品化。

讓我們對(duì)作為下一代功率器件發(fā)展平臺(tái)的硅、碳化硅及氮化鎵器件進(jìn)行比較。

為什么使用氮化鎵器件?

從一九五零年代開(kāi)始，硅是功率半導(dǎo)體的主要材料。與鍺或硒等其它早期半導(dǎo)體材料相比，它具有四大特點(diǎn)：

1. 硅器件推動(dòng)了全新應(yīng)用的出現(xiàn);

2. 硅器件被證實(shí)更為可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶體管如果要替代硅器件，它的材料性能必需展示在以上四方面比硅器件更為優(yōu)勝。

硅器件的優(yōu)勢(shì)是基于其基本物理特性及在制造基礎(chǔ)設(shè)施和工程方面的龐大投資?，F(xiàn)在讓我們來(lái)了解硅的幾個(gè)基本性能，以及它與其它替代材料的比較。表一展示了用于功率管理市場(chǎng)的三種競(jìng)爭(zhēng)半導(dǎo)體材料的三種主要電學(xué)性能。

表一：氮化鎵、碳化硅及硅材料的性能比較

如何使用以上的基本結(jié)晶參數(shù)對(duì)功率晶體管的性能進(jìn)行比較，其中的一個(gè)辦法是比較以上三個(gè)器件理論上可實(shí)現(xiàn)的最大性能。功率器件的眾多特性對(duì)目前的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)挠绊懀渲形鍌€(gè)最重要的特性包括器件的傳導(dǎo)效率、擊穿電壓、開(kāi)關(guān)速度、尺寸及成本。這些器件特性決定可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)頻率及功率密度。

從表一的數(shù)據(jù)(對(duì)氮化鎵二維電子氣的高遷移率做出調(diào)整后)我們可以得出作為擊穿電壓及材料函數(shù)的理論上最小電阻(電導(dǎo)的倒數(shù))。

表一展示了由于碳化硅與氮化鎵器件均具有比較高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，使它們的電阻及擊穿電壓具優(yōu)越關(guān)系，允許器件在給定的擊穿電壓下實(shí)現(xiàn)更小尺寸，以及我們可以把端子更緊密地排列在一起。此外，與碳化硅器件相比，氮化鎵器件的另一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)是由于二維電子氣的電子遷移率較高，使氮化鎵器件可以在給定的電阻及擊穿電壓下具有更小的尺寸，為氮化鎵器件加分!

由于氮化鎵器件可以比硅器件小很多，以及其電子遷移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化鎵高電子遷移率晶體管可具更快速開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)。圖二展示在一個(gè)12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，一個(gè)氮化鎵晶體管與兩個(gè)硅功率MOSFET器件的過(guò)渡時(shí)間的比較。 氮化鎵晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間是等效40 V 硅器件的五分之一，以及是等效25 V硅器件的四分之一。這再次為氮化鎵器件加分![!--empirenews.page--]

圖一：硅、碳化硅及氮化鎵器件的理論導(dǎo)通電阻與阻擋電壓能力的關(guān)系的比較。

圖二：在一個(gè)12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與硅功率MOSFET器件的硬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟速度的比較。 可見(jiàn)三個(gè)器件均具備相同導(dǎo)通電阻，但具有不同的擊穿電壓。

氮化鎵器件的橫向結(jié)構(gòu)有助它的flip-chip封裝，它是一種高性能的封裝，因?yàn)榫咦畹妥杩辜岸俗与姼?。此外，氮化鎵功率器件在晶片尺寸方面比硅器件?yōu)越，因?yàn)樗捎酶咝Х庋b，使它的尺寸比現(xiàn)今器件小很多。

表二：功率MOSFET器件的各種封裝與氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵格陣列封裝的比較。

表二比較了氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與具有相同導(dǎo)通電阻的MOSFET器件的尺寸。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于具有高效晶片級(jí)柵格陣列封裝及更小的晶片尺寸，大大縮小了器件在印刷電路板上的總體占位區(qū)域。這證明氮化鎵器件再次比MOSFET器件優(yōu)勝!

氮化鎵晶體管建構(gòu)于一個(gè)比較新的技術(shù)，因而它的制造成本比等效硅器件為高。但這是暫時(shí)的情況，正如在我們的教科書(氮化鎵晶體管-高效功率轉(zhuǎn)換器件)第十四章所述，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以逾越這個(gè)障礙，實(shí)現(xiàn)比等效功率MOSFET或IGBT器件更低的成本。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。與任何功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣，氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)具有柵極、源極和漏極電極。源極和漏極電極穿過(guò)AlGaN 頂層與下面的二維電子氣形成歐姆接觸，并在源極和漏極之間形成短路，直至二維電子氣區(qū)域內(nèi)的電子耗盡，以及半絕緣的氮化鎵晶體可以阻隔電流為止。為了耗盡二維電子氣的電子，我們需要將柵極電極放置在AlGaN 層的上面。對(duì)于很多早期的氮化鎵晶體管來(lái)說(shuō)，這個(gè)柵極電極形成為一個(gè)與頂部的表面接觸的肖特基接觸點(diǎn)。在這個(gè)接觸點(diǎn)施加負(fù)電壓，肖特基勢(shì)壘將變成反向偏置，從而使下面的電子耗盡。因此，為了把器件關(guān)斷，需要施加相對(duì)于漏極和源極電極的負(fù)電壓。這種晶體管名為耗盡型或D 型異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。

圖三：典型的AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，具柵極、源極和漏極三個(gè)金屬半導(dǎo)體接觸點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

在功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中，D 型器件并不方便，因?yàn)樵诠β兽D(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)，必須首先在功率器件施加負(fù)偏置，否則會(huì)導(dǎo)致短路。反之，增強(qiáng)型(E 型)器件沒(méi)有這個(gè)限制。在柵極為零偏置時(shí)，E 型器件處于“關(guān)斷”狀態(tài)，及不會(huì)傳導(dǎo)電流。當(dāng)宜普電源轉(zhuǎn)換公司推出商用增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管后，大大減低了使用氮化鎵晶體管來(lái)設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的難度。

增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)

宜普的增強(qiáng)型的工藝開(kāi)始于硅晶圓。在硅基上生成的一層氮化鋁(AlN) 的薄層，為隨后生長(zhǎng)的氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供一層晶種層。由AlGaN 及其后的氮化鎵組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在氮化鋁層上生長(zhǎng)。在這層的基礎(chǔ)上搭建氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。隨后在這個(gè)具高阻抗性的氮化鎵厚層上生長(zhǎng)一薄層AlGaN。這個(gè)薄層使氮化鎵與AlGaN 層之間產(chǎn)生應(yīng)變介面。這個(gè)應(yīng)變介面加上氮化鎵固有的壓電性質(zhì)產(chǎn)生滿載大量高遷移率電子的二維電子氣 。下一步工藝是在柵極下方形成一個(gè)耗盡區(qū)。為了增強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能，可以用與導(dǎo)通n 溝道的增強(qiáng)型功率MOSFET 相同的方式，給柵極施加一個(gè)正向電壓，如圖四所示。額外金屬層可以把電子導(dǎo)向柵極、漏極及源極的端子(圖五顯示了這種結(jié)構(gòu)的橫截面)。這種結(jié)構(gòu)被重復(fù)多次而形成一個(gè)完整的功率器件，如圖六 所示。

圖四: 氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。

圖五：氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的掃描電子顯微鏡圖像。

圖六：氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的俯視圖。它的額定值為40 V、4 mΩ 及33 A。

總結(jié)

在技術(shù)文章系列的第一章，我們介紹了具備優(yōu)越性能的硅基氮化鎵功率器件可以替代現(xiàn)有的功率MOSFET器件。我們描述了兩種氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)，分別為耗盡型及增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸更小、開(kāi)關(guān)速度更快、容易使用、已經(jīng)用作商業(yè)用途及在不久的將來(lái)可以比硅器件的成本更低。下一章我們將討論功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所需的基本工具，以實(shí)現(xiàn)氮化鎵晶體管的卓越性能。