GaN在射频应用中脱颖而出的三大原因

2017-05-24 来源:Qorvo半导体 字号:

镓(Ga) 是一种化学元素,原子序数为31。镓在自然界中不存在游离态,而是锌和铝生产过程中的副产品。
GaN 化合物由镓原子和氮原子排列构成,最常见的是纤锌矿晶体结构。纤锌矿晶体结构(如下图所示)呈六方形,通过两个晶格常数(图中标记为a 和c)来表征。

GaN 晶体结构

GaN 晶体结构

在半导体领域,GaN 通常是高温下(约为1,100°C)在异质基板(射频应用中为碳化硅[SiC],电源电子应用中为硅[Si])上通过金属有机物化学气相淀积(MOCVD) 或分子束外延(MBE) 技术而制成。

GaN-on-SiC 方法结合了GaN 的高功率密度功能与SiC 出色的导热性和低射频损耗。这就是GaN-on-SiC 成为高功率密度射频应用合并选择的原因所在。如今,GaN-on-SiC 基板的直径可达6 英寸。

GaN-on-Si 合并的热学性能则低得多,并且具有较高的射频损耗,但成本也低很多。这就是GaN-on-Si 成为价格敏感型电源电子应用合并选择的原因所在。如今,GaN-on-Si 基板的直径可达12 英寸。

那么,为何GaN 在射频应用中优于其他半导体呢?

相比Si 和GaAs 等其他半导体,GaN 是一种相对较新的技术,但它已然成为某些高射频、大功耗应用的技术之选,比如需要长距离或以高端功率水平传输信号的应用(如雷达、基站收发器 [BTS]、卫星通信、电子战[EW] 等)。

GaN-on-SiC在射频应用中脱颖而出,原因如下:

高击穿电场:由于GaN 的带隙较大,GaN 具有较高的击穿电场,这使得GaN 设备的工作电压可远远高于其他半导体设备。当受到足够高的电场作用时,半导体中的电子能够获得足够动能来打破化学键(这一过程被称为碰撞电离或电压击穿)。如果碰撞电离未得到控制,则可能会降低器件性能。由于GaN 器件可以在较高电压下工作,因此可用于较高功率的应用。

高饱和速度:GaN 上的电子具有很高的饱和速度(在极高电场下的电子速度)。当结合大电荷能力时,这意味着GaN 器件能够提供高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积,所以,电压越高,电流密度越大,则实际尺寸的晶体管中产生的射频功率就越大。简言之,GaN 器件产生的功率密度要高得多。

出色的热属性:GaN-on-SiC 器件表现出不同一般的热属性,这主要因为SiC 的高导热性。具体而言,这意味着在消耗功率相同的情况下,GaN-on-SiC 器件的温度不会变得像GaAs 器件或Si 器件那样高。器件温度越低才越可靠。

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