|
|
氮化镓技术简介
& L; v- I8 }/ d& ?2 |# B: z; e氮化镓(GaN)技术在电力电子领域带来革命性进步，相比传统硅基器件具有显著优势。本文将探讨GaN技术的基本特性、结构、应用及性能特点[1]。! @& H, z5 p- u+ y5 b
+ }! L3 z; M; n. c$ E, y5 V
材料特性与构型
6 B& M* P( N5 T: r. E; b. kGaN同时具有比硅和碳化硅(SiC)更高的载流子迁移率和临界电场。采用相对经济的GaN-on-Si晶圆使GaN在中高端应用中更具竞争力，特别是在成本敏感的场景下。) @5 N2 l' F, J! b- o
pjacsdhxuyj64055520915.png
) w3 i- i1 G6 s图1展示了不同材料和技术的特定Ron与击穿电压限值的关系，显示了GaN相比硅和SiC的卓越性能特征。
H" Y( V, O4 g# m, H
1 j7 K5 ?. e; SGaN器件的横向构型具有以下优势：
! p& E. e; n! g; k$ S8 o* a- b* p可实现传感、保护和驱动线路的单片集成所有端子易于访问支持半桥器件集成可与硅器件简单混合集成封装更简单且成本更低
9 Y. e1 h3 N; f; ?9 S9 m* l
. a6 C- }8 Q& Q: t1 k7 f器件结构与运行原理
, d# `5 ?. [- ~0 d$ n
jxi3e2bufnt64055521015.png
# n8 f& _" j! O4 T/ `
图2对比展示了掺杂硅晶体管与GaN HEMT的截面结构，显示了两种技术的基本结构差异。" \5 o) o! l8 q7 B* d% v1 K# ^
4 `, M' J i/ A# E: c5 q1 R
对于任何GaN HEMT应用，驱动线路的合理设计和优化对构建高效可靠的系统具有根本作用。驱动线路需要为开关栅极提供适当的电压和电流来控制开关过程。' R( H9 l! q' a" ^2 m
- t- Z1 [+ x5 j) }1 ]; b
驱动线路与功率集成
4 X; y8 f3 O% I; v
cjtetw1e00364055521115.png
: p" x0 r. X' j" ]4 r7 }5 W
图3展示了肖特基栅GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驱动线路，显示了不同类型所需的配置。
# L' o! W8 _( S
' T6 y3 D U2 j) |) j+ p z fGaN功率集成电路的出现代表技术的重大进步。集成实现了关断时几乎零损耗，因为关断栅极驱动回路基本没有阻抗。: M0 Q" f0 T1 Z. s
k1xwpdkeac064055521216.png
& _! e" [1 Z8 v9 }+ u# R- F$ {' C" Z图4显示了新型高频有源钳位拓扑和GaN功率集成电路如何实现无源元件缩小和整体功率密度提高3倍。; q/ l* o* A$ {; v
! i0 D; Z& e# w4 u6 v/ T4 a* o动态特性表征的挑战
- A H! f& b4 G; k; k4 B9 S' {GaN功率器件的动态特性测量面临独特挑战，因为电压转换(dv/dt)和电流转换(di/dt)极快。这些快速转换与测试线路中的寄生元件相互作用，可能产生过高的电压或电流。
& N b7 N- W- E9 j- M
5eivhdjpx2d64055521316.png
) v! m6 G+ {) s# \4 x- j. A: |7 M/ c1 l
图5展示了GaN FET开关测试中的振荡和振铃结果，说明了动态表征中的挑战。
& _" U# g' r% O7 {5 @7 h7 C/ j% X; ]2 p3 s9 g7 V
垂直GaN技术5 i! o/ u% n* z; g. Q# q8 H0 t* r: b
垂直GaN技术的发展代表另一个重要方向。垂直GaN能够实现700-900V以上阻断电压的实用扩展，因为阻断电压随外延特性而不是芯片面积变化。! V, g2 S4 c- _6 z
5c0esxmb1i464055521416.png
, p% R' `$ ?6 \图6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直导电GaN晶体管，显示了垂直器件的基本结构。
, T( s& D# Q, M1 J
+ o, g [3 a( O9 I; E9 A$ b3 l \可靠性与测试) V( {8 G/ R6 V
可靠性是GaN技术最关键的方面之一。制造商采用全面的测试程序来确保器件在各种工作条件下的可靠性。 F |7 `7 s2 H2 ?2 Y0 y6 [
vsrqcdkk3ag64055521517.png
R: U3 x7 y9 R: V$ s! r, P' G图7展示了英飞凌的四支柱GaN器件认证方法，显示了确保器件可靠性的综合方法。
7 O. w- \" M* w9 B- [ k; X# l O _/ U- A6 J4 p0 i
应用与发展方向
/ K. N, |# J- |( `/ R随着GaN技术的不断成熟，已在数据中心、电动汽车和工业电机驱动等领域获得应用。这种技术在保持高效率的同时能够在更高频率下工作，使其在新一代电力电子应用中具有特殊价值。+ e9 L) K/ ]7 Z/ m, M
hmwz52drqei64055521617.png
% R4 }# B+ Z% n# ]: I* H" M! c图8展示了GaN半桥功率集成电路示意图和电机逆变器实例及其良好的散热性能，展示了在电机控制系统中的实际应用。% {% ~/ E9 k) c- P( O' ^( a( t
6 v; X) l: r3 n; ^$ ~
结论
: l+ o" z4 F/ Y- k2 ]0 }( h, ~0 \GaN技术在电力电子领域展现出卓越的性能特征，远超传统硅基器件。尽管在动态表征和可靠性测试等方面仍存在挑战，但横向和垂直GaN技术的持续发展正在推动高性能电力电子应用的进步。9 P7 F* j0 z1 R P6 | m
# g% r3 L0 Q& n. e K, h参考文献1 \$ f. v' |- G7 J$ C
[1] M. Di Paolo Emilio et al., "GaN Technology," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 4, pp. 49-106. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_4( J5 U( S) o! t
( E: y' y/ E' [
END
: M. M% [) x/ S9 J
* e5 B S$ s6 _, m g
; R& ~1 }+ {3 v* {软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
2 b( w5 m3 u( A点击左下角"阅读原文"马上申请
! s; y+ {, j, l' g6 s$ b: Y
, c$ B% {8 n- i+ m! e9 w* f欢迎转载4 y; U% o* r- F2 ?5 \
8 J9 b0 C7 l. u+ D
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！% V# w/ X+ I9 l! K; f. S
0 @' E# p5 Y' j& s; _& t4 D
2 w/ B% f3 D" m- k- {/ _8 M
9 n3 D; r' s& D2 i9 d' \
zfv2nkef1qn64055521717.gif
: {9 Z$ ^+ K4 |
6 S# f ~4 w( C _" J关注我们) e' J! C1 I- Q: A7 B' o7 _, ]6 v
! p( O# Q3 A; X K; C$ y( b
. p1 l8 U! R/ E0 s; ]1 g! X
vsp3waq2u4x64055521817.png
7 G R2 E3 o+ @( q& b* i
|
, m( R5 \: X5 i# P3 d: `
41x0fmdehas64055521917.png
% q: i* g7 T% E1 P$ W! Y5 Q |
( {( f# N; ]* P8 \: Q. H4 A
v2fq3gapvym64055522017.png
$ l4 V% W8 ]7 z
|
8 e* m2 L/ @4 a
& ^- M# p# P a! r: J: T8 h1 o' Y9 c' c1 O Q) J' @
+ v& X- i$ u8 b) a* b
关于我们：# ~6 }( F* \: B
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
& g/ t6 P5 G5 _8 U* C, ^# g& w# {
http://www.latitudeda.com/
4 x* _+ f" [+ r& @" c* H% m（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容） |
|
电子产业一站式赋能平台
窥视卡
置顶卡
变色卡
