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代表半导体技术将随着GaN步入新纪元

2020-09-17

随着设计变得越来越复杂,工程师不断寻找更新的半导体材料。氮化镓(GaN)材料自从多年前开始被IEEE国际微波研讨会等重要会议视为一大趋势后,近年来已经逐渐稳定立足于RF/微波应用。接下来,氮化镓将应用在哪些方面?它存在哪些局限?未来又将带来哪些可能性?

为了回答这些问题,笔者访问了在GaN Systems、宜普电源转换公司(Efficient Power Conversion;EPC)、TriQuint Semiconductor、MACOM与Element Six等公司的研发团队。

相较于硅和砷化镓(GaAs),氮化镓在功率密度和功率电平方面更具优势,但本身也存在技术限制。TriQuint基础设施和国防产品研究资深总监Douglas H. Reep指出,GaN功率晶体管能够达到 10W/mm的功率密度以及超过500W的功率级,然而, 从理论来看,氮化镓技术的限制就在于基本材料性能的限制,以及我们利用氮化镓的创造力。

Reep表示,考虑氮化镓的最重要因素是晶体管速度与工作电压之间的关系,如同Johnson导出的FoM数据所示。他强调,在这种比较上,氮化镓表现出较GaAs更高1倍以及比硅晶更高2倍的性能优势。他补充说,氮化镓的研发经常着重在半导体和封装阶段的热管理。

至于高压组件,GaN Systems最近发布五款针对高速系统设计优化的650V GaN晶体管。这些650V组件具有反向电流的能力、零反向恢复充电以及电源感知等功能。该公司在去年初发布的100V GaN功率晶体管也同样具备这些特色。

然而,目前的技术限制在于保持可靠性的同时也必须提高工作电压,MACOM公司资深技术研究员Tim Boles强调,必须提高电压偏置才能实现更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。 PAE在2.5到 .5GHz以上可适时地达到70%的增幅, 他并预计, 更高的偏置电压将可提高这项参数。

GaN Systems总裁Girvan Patterson则认为,击穿电压是氮化镓的关键。透过在碳化硅上利用氮化镓,该公司已能在实验室中获得超过2,000V的电压。然而,他指出,在当前基于硅的GaN技术结构,击穿电压仍受到垂直击穿的限制。

这使得我们目前的工作电压受限于650V,Patterson解释说, 我们预期在接下来几年可进一步开发出更好的基板材料,使工作电压提高到900V或甚至超过1200V。 至于效率,Patterson认为,氮化镓的使用者已经证明它可展现99%的转换效率了,而硅晶的转换效率还不到95%。

此外,还有以免给两国关系带来进一步的损害。热量。Element Six技术公司防御和航空航天业务主管Felix Ejeckam提到,氮化镓晶体管目前尚未能达到原始功率密度的最大值,除非热量能从发热结处被成功地释放出来,才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等参数。

应用

如今,进行GaN研究工作的人很少仅仅将它看做是硅或GaAs的替代品,而是看好它作为一种可在新应用中发挥作用的独特材料,特别是它可在高频率、高电压和高功率密度的应用领域中带来极具研究前景。

EPC执行长Alex Lidow强调,氮化镓材料每天都在催生新应用。例如,大量的封包追踪与光达(LIDAR),以及最近大量应用于服务器的DC-DC转换器、D类放大器、无线充电与医疗应用等。

增强型GaN晶体管表现出高耐辐射性能,从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统。(来源:EPC)

Patterson认为,氮化镓的应用领域十分庞大,包括在替代能源市场的高效电源转换、电动和混合动力车、交通运输以及高效率的电源的应用,在利用氮化镓后可实现高达99%的效率。此外,他还观察到在2015年将可看到越来越多消费领域的开发人员对这款材料的兴趣增加, 例如,在未来12个月,我们可望看到比现在电视更轻薄的新一代电视上市,这就是因为利用了GaN功率晶体管带来显着节省空间的效果。

在RF方面,基于钻石的氮化镓(GaN-on-diamond)近来在作为蜂巢式基地台的RF放大器以及军事应用的雷达方面也展现成长动能。此外,根据Ejeckam表示,在风力/PV发电系统所用的超高功率(高达几千瓦)逆变器,也可看到对于利用钻石氮化镓材料美国总统奥巴马对NSA间谍丑闻发表重要讲话。他表示:“底线是的兴趣。

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