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氮化镓(GaN)时代到来,这些技术知识你还不知道吗?

2018-05-14 11:12 来源:互联网 编辑:Janet

半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,一路上挟风带雨的,好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓,为获得更细小“线宽”的投资,未必能够带来更划算的收益。

所以未来半导体技术的提升,除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。

GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比,其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。

因此,利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件,这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。

与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点。

首先,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底。有分析预测到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的Si器件相当,届时很可能出现一个市场拐点。并且该技术对于供应商来说是一个有吸引力的市场机会,它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。

让我们回顾下不同衬底风格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)衬底或者金刚石衬底

硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。

碳化硅衬底氮化镓:这是射频氮化镓的“高端”版本,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用。

金刚石衬底氮化镓:将这两种东西结合在一起是很难的,但是好处也是巨大的:在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。

其次,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成,比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步降低用户的使用门槛。

正是基于GaN的上述特性,越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中,GaN都表现出了相当的渗透力。

射频(RF)领域将是GaN的主战场。有分析指出,与目前在RF领域占统治地位的LDMOS器件相比,采用0.25微米工艺的GaN器件频率可高达其4倍,带宽可增加20%,功率密度可达6-8W/mm(LDMOS为1~2W/mm),且无故障工作时间可达100万小时,更耐用,综合性能优势明显。5G的商用无疑会是GaN在射频市场发展的一个驱动力。

根据市场研究机构Yole的预测,受5G网络部署的拉动,全球RF功率器件市场在2016年到2022年间将增长75%,年复合增长率达到9.8%;GaN将在未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术,而LDMOS的整体市场规模将下降到15%以下。

与此同时,我们会发现,在其他RF领域,也都会有GaN的身影,作为重要的升级换代技术,向原有的半导体器件发起挑战(详见表2)。从表2中可以看出,除了雷达等性能敏感型的应用,低成本的Si基GaN都有涉足,无疑会成为GaN开疆扩土的“功臣”。

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在电力电子领域,GaN也找到了自己的位置。通常大家认为,由于材料特性的差异,SiC适用于高于1200V以上的高电压大功率应用,而GaN器件更适合于40-1200V的高频应用,GaN 在 600V/3KW 以下的应用场合更占优势,在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域与传统的MOSFET或IGBT展开竞争,让电源产品更为轻薄、高效。

而GaN的这个定位也更有利于其向消费类市场的渗透,这后面的市场空间就更为可观了。

同时,也有人看好GaN单晶衬底在光电子领域的应用,比如在激光显示方面的应用前景,认为这会与VR/AR等新兴行业形成互动,开辟出新的应用领域。

关于SiC和GaN的一些比较

相较于SiC已发展十多年了,GaN功率元件是个后进者,它是一种拥有类似于SiC性能优势的宽能隙材料,但拥有更大的成本控制潜力,尤其是高功率的硅基GaN由于具有更大输出功率与更快作业频率,已被看好可取代硅元件成为下一世代的功率元件。近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持,扩大对于SiC/GaN等高性能功率元件的需求,将进一步促进SiC/GaN功率元件的发展。

根据IHS IMS Research的报告显示,在未来十年,受到电源、太阳光电(PV)逆变器以及工业马达的需求驱动,新兴的SiC和GaN功率半导体市场将以18%的速度稳步成长,预计在2022年以前,SiC和GaN功率元件的全球销售额将从2012年的1.43亿美元大幅增加到28亿美元。

Yole Developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理Pierric Gueguen认为,碳化硅主要适用于600V以上的高功率应用,氮化镓则适用于200~600V中功率应用。不过根据Yole的预测,到了2020年,氮化镓将进一步往600~900V发展,届时势必会开始与碳化硅产生竞争关系。

由于氮化镓锁定中低功率应用,其应用市场规模要大于中高功率,因此Yole预估,氮化镓元件2015年~2021年的成长率将达83%,其中电源供应器(Power Supply)将占相当大的一部份,近六成左右,而碳化硅同期的成长则相对缓慢,成长率约在21%左右。

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