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电子工程师必须了解的新材料——氮化镓

电子发烧友网2020-03-15 08:15:42

  氮化镓(GaN)已经在RF/微波的应用领域站稳脚跟;而且它很多年前就已经在许多如IEEE国际微波研讨会这样的讨论中被视为未来发展的一大趋势。但是,从那以后我们到底做得如何呢?它的未来又有怎样的可能呢?

  为了回答这些问题,我与一些来自GaN System、高效的电力转换公司(EPC),TriQuint半导、MACOM和Element Six的团队进行了一些探讨。

  相较于硅和砷化镓(GaAs),氮化镓在功率密度和功率电平上都更为出色,但它并非没有其自身的技术限制。GaN功率晶体管功率密度现在能够现在能达到》10 W /毫米而功率可以超过500W。TriQuint公司基础设施和国防产品研究部门的高级主管Douglas H. Reep博士说,“从理论上说,氮化镓技术的限制严格说来就是其基本材料性能的限制以及我们思考如何利用它们的创造力。”

  Reep表示,关于氮化镓最重要的因素是考虑氮化镓晶体管的速度和工作电压之间的关系,就像Johnson所获得的数据显示出的那样。他指出,在这种类型的比较上,氮化镓比砷化镓表现出一个数量级的优势,而比硅更具有两个数量级以上的优势。他补充说,氮化镓的研发经常专注于在半导体和封装阶段的热管理。

  对于高压部件,GaN Systems公司最近发布了五款经过高速系统设计优化的常关的650V的GaN晶体管。这些650V器件具有使电流反向的能力、零反向恢复电荷和源感。(今年早些时候,该公司发布的100V GaN功率晶体管也是如此。)

  目前的技术限制涉及到在保持可靠性的同时提高工作电压,据MACOM公司资深技术研究员Tim Boles说。Boles表示了试图提高电压偏置点以达到更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度的愿望。“在2.5到3.5 GHz上PAE获得70%增幅是可以合理地实现的,”他说,“预期更高的偏置电压将提高该参数”。

  GaN Systems总裁Girvan Patterson也同意击穿电压是氮化镓的关键。他在一份报告说,通过在碳化硅上使用氮化镓,他们已经证明了能在实验室中获得超过2000V的电压。然而,他指出,在当前的硅上GaN技术下,击穿电压受到了通过硅衬底的垂直击穿的限制。

  “这使得我们目前的工作电压被限制在了650V,”Patterson解释说,“我们期待能在接下来的几年中在开发出更好的基底材料使其达到900V甚至1200V。”至于效率,Patterson说,用户通过氮化镓实现99%的转换效率,而硅相对的还小于95%。

  然后,还有热量。Element Six技术公司防御和航空航天业务主管Felix Ejeckam提到现在氮化镓晶体管是不能达到固有功率密度最大值,除非热量能从发热结处被成功地释放出来。完全释放热量后,如功率、效率、尺寸/重量和可靠性等参数将受到显著影响。

  应用

  今天,那些从事GaN研究工作的人已经很少将它仅仅看做是硅或砷化镓替代品,而更作为一种能在新的应用中发挥作用的独特材料。其结果是,氮化镓在对高频率,高电压和高功率密度的应用领域中都是很有研究前景的材料。

  高效电力转换公司(EPC)CEO和DesignCon2015的主讲人Alex Lidow指出,每天都在出现新的应用。他提到了高音量包络跟踪和激光雷达,以及最近大量用于服务器的DC-DC转换器、D类音频、无线电源充电和医疗应用。

  

  增强型GaN晶体管表现出很高的耐辐射性能,它们非常适用于通信和科学卫星的功率和通信系统。

  GaN System的Patterson认为,能受益于氮化镓的应用的数量是巨大的。他提到了在替代能源市场的高效电源转换,电动和混合动力汽车,交通运输,以及高效率的电源的应用,并指出,这些应用可以用氮化镓实现很好匹配的98-99%效率,。他还注意到今年以来,从设计师到消费领域人们对此越来越有兴趣。“举个例子,在未来12个月内,我们很可能会看到推出的远比现在的电视更轻薄的新一代电视,这是因为利用GaN功率晶体管将会非常显著地节省空间。”

  在RF方面,基于金刚石的氮化镓(GaN-on-diamond)作为用于蜂窝基站和军用雷达中的射频功率放大器看起来很有前景,据Ejeckam讲。他也看到了很多对风/光伏并网发电的极高电压电源(几KV)逆变器中使用的基于金刚石的氮化镓产生了兴趣。

  

  基于金刚石的氮化镓晶片使用的是Element Six公司开发的合成金刚石

  启用新设计

  如果我们把氮化镓不只是看作为其他材料的替代品,那接下来的问题是,氮化镓能让设计人员能够完成他们以前没能做出的设计吗?

  “简单地说,氮化镓使设计人员获得更快的开关速度和更高的频率。这将使得产品更小(如内服式诊疗胶囊),传感器分辨率更高(如无人驾驶汽车),产品重量更轻(如微型卫星)。今天一切皆有可能!随着氮化镓材料的不断改进,这些产品将更加无处不在,”Lidow说。

  氮化镓能提供比各种替代技术更高的电压、更高的偏置电压和更高的功率附加效率,并降低寄生阻抗和得到更宽的工作带宽。此外,MACOM公司的Boles指出,GaN具有电子迁移率和饱和漂移速度无可比拟的组合,能在频率和功率水平执行在现在其它任何技术看来都无法实现的操作。“最后的结果,”Boles说,“氮化镓将使设计人员设想并实现在今天看来是不可能的非常复杂的微波线路和MMIC。据预计,复杂、完全集成的高功率和高频率MMIC解决方案将在未来两到五年内能得以实现。”

  Reep认同更多RF/微波/毫米波应用的潜力,并指出,氮化镓允许设计者通过减少DC电源、电路面积、元件数量、并最终降低费用来达到更高水平的RF功率。“利用这一点的系统今天已经得到广泛的分布并在未来会得到更大的扩展-关键一部分是对人与物之间的通信密度的急剧增长。物联网需要的GaN充分发挥其潜力,”Reep说。

  GaN技术的应用上还有一项有待改进的地方,Ejeckam解释到基于金刚石的GaN使氮化镓工程师能使功率放大器的RF输出功率密度得到三倍放大,同时又能帮助GaN的结温相较于基于硅外延材料的氮化镓的业界标准减小达40-50%。“这些好处对可靠性、系统能耗、系统成本、系统的体积/重量、整体表现都会产生下行的影响。”他说道,并指出,Raytheon Corporation、AFRL和其它公司的工程师已经宣布这些“3X”在最近几个月/年中的功率密度和热效益。

  专家的建议

  那么,电子工程师设计新产品需要了解GaN的什么内容?

  “氮化镓将在功率转换领域取代硅。为了避免过时,电子工程师现在需要去获得在氮化镓上的经验。”- Lidow

  “在需要非常高的电压(几十到几百V的),高功率密度(数十千瓦/ sq.cm),以及高频率(GHz)的应用领域,氮化镓优于所有其它RF材料。基于金刚石的氮化镓又要优于基于其它的氮化镓许多倍,尤其是基于碳化硅的氮化镓和基于硅的氮化镓 - 即使考虑了金刚石带来的附加材料成本。”- Ejeckam

  “当今的氮化镓很有用,这在很大程度上与砷化镓相同。然而,氮化镓的可靠性大于砷化镓两个数量,但砷化镓在场性能和寿命周期成本更高上的表现是革命性的。所以,电子工程师在开发新产品时不应该只考虑到氮化镓只是砷化镓的替代品。通晓氮化镓的功能可以使你设计出从未有过的产品。”- Reep

  “虽然基于碳化硅的氮化镓和基于硅的氮化镓在微波毫米波和频率表现出了令人印象深刻的性能水平,但电子设计师应该知道,这项技术仍在不断改进。比如使用硅和(尤其是)砷化镓时,不要因为其工艺、设计、甚至基本结构的不断改进而感到惊讶。在短期内,设计人员应采取更加保守的基于现有技术的方法来设计应用流程、器件和结构。此外,较长期的项目很可能需要设计人员可以灵活地采用更具前瞻性的研发理念,如基于金刚石的氮化镓,肖特基势垒层配置的更奇特的带隙解决方案等,以满足最终的系统规格”- Boles

  展望未来

  据MarketsandMarkets报导,“在未来8年,即2014年至2022年,整个氮化镓半导体市场的复合年增长率预计为22.2%,在功率半导体器件市场的增长更加强劲,复合年增长率预计超过60.5%”。

  显然,氮化镓在广泛的应用范围内都有很大的潜力。当然,就像其它任何技术一样,技术障碍仍然存在。而且,与任何新技术一样,也许是最大的障碍就是成本。氮化镓也将受益于一些热处理的改进和集成提高。但是,也许它需要的不过是一点时间来证明它的价值、可靠性和寿命,从而让工程师有信心来选择它作为未来设计的方向。