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垂直于氮化镓器件

技术最终可能是商业化的边缘。

受欢迎程度

长期以来,氮化镓一直被广泛应用于半导体领域,但由于各种技术障碍,它在商业规模上的应用一直相对缓慢。这种情况可能即将改变。

宽的带隙特别是有吸引力的材料用于电源转换应用程序。尽管如此,实际上仍然意识到其在商业设备中的好处是一项挑战。作为一般规则的经验法则,功率转换器应该能够在最多三倍的预期RMS交流电压下运行,以便允许动力浪涌的安全裕度。大多数计算设备使用120V或240V壁电流,而电动车充电器通常供电400伏,并且许多工业应用取决于480V两相供电。因此,这些应用的功率转换器需要超过1000V的工作范围。到目前为止,缺陷限制了GaN设备的高电压可靠性。

第一个障碍是GaN材料本身。虽然存在独立的GaN晶片,但到目前为止它们仅限于直径100毫米。硅上的GaN更容易制造,经济上有吸引力 - 较大的晶片可以在大致相同的每晶片成本上支撑更多的设备 - 但是大热膨胀和格子不匹配GaN和硅之间导致破裂和高缺陷水平。

奥德赛半导体公司的联合创始人兼首席技术官Rick Brown估计,独立的氮化镓晶片的缺陷水平在103.10.5每平方厘米,与10相比8到10.10.每平方厘米用于硅硅。为了实现蓝GAN激光器,光电子研究人员需要在GaN晶片上生长GaN层。布朗预计电力转换应用最终也需要使用GaN基板。

Device-grade原文如此晶片也仅适用于相对较小的尺寸。相对于SiC,由于材料在较高频率下操作的能力,GaN设备可能更小。另一方面,SiC是与硅更好的匹配,在硅基板上制作可靠的SIC器件更可实现。

GaN的额外约束是缺乏强大的区域特异性掺杂。在硅和碳化硅中,离子植入允许制造商根据所需的装置结构的需要制造商产生任意p型和n型区域。在这些材料中,后植入后的退火激活掺杂剂并修复植入造成的晶体结构损伤。相反,GaN材料不能容忍这种高温。

另外,也可以通过刻蚀和用所需要的掺杂重新生长GaN区来创建掺杂区。然而,缺陷倾向于在现有材料和再生材料之间的界面上积累。此外,在器件运行过程中,同样的接口受到最大电流密度的影响。

没有面积特异性的兴奋技术,GaN设备仅限于水平HEMT结构。在这些晶体管中,电流沿着两种不同材料之间的界面行进,例如GaN和AlGaN,由施加的栅极偏压介导。

hemt不适合非常高的电压应用的原因有很多。它们通常是“开”的器件,需要栅极偏压来防止导通通道。在高电压下,通常设备既不安全又效率低下,因此它们通常与硅基控制逻辑配对。平面结构比垂直结构需要更大的面积。在电力设备中尤其如此,因为需要在终端之间留出空间来防止电弧。

高压Si和SiC器件使用垂直设计,分别在源极和后侧和后侧漏极。栅极偏压在通道的任一侧调制掺杂剂阱。端子之间的分离有助于电隔离并最小化整个系统占地面积。

据棕色,奥德赛半导体开发了一种快速退火过程,可在离子植入和掺杂剂活化期间保护GaN。该过程能够实现区域​​特定的掺杂和垂直传导装置。该公司预计今年将向潜在客户提供工程样品。如果早期结果持有,GaN可能正在实际上实现其在高压应用中的潜力。


图。图1:GaN膜(L)和GaN纳米线(R)的SEM暗场图像,显示了N原子(黄色)和GA原子(红色)的对齐柱。来源:NIST



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