功率和射频氮化镓结构差异

之前的博客 氮化镓技术的两个应用 写过氮化镓的两种典型使用场合，一种是在射频系统中当作功率放大器，放大射频信号，使信号能够覆盖更远的距离或者满足无线通信的功率要求。另一种是电力电子场合，通常作为开关使用，用于控制高电流或者高电压的负载，以实现高效的电力管理，在电源转换、电动机控制以及电力传输等应用中至关重要。我们一般把前者称作射频器件，把后者称作功率器件。但是还有一种叫作微波功率器件的说法，这类器件在微波频段（通常是300 MHz至300 GHz的频率范围内）大幅放大信号的功率，氮化镓射频器件也可以看作是微波功率器件的一种。因此当谈到氮化镓器件热管理，很多时候都不区分地叫成氮化镓功率器件的热管理了。

这两类器件的基本结构类似，但具体器件布局以及尺寸还是有着明显的差异，这种差异主要源自于他们工作电压的不同。我们知道，器件做得越小，整个导通电阻以及成本都会越小，而器件做小的极限就是电场达到材料的击穿场强。氮化镓器件最首要的优势就是禁带宽，达到了3.4eV，而硅的禁带宽度只有1.12eV。这使得GaN的击穿场强达到了3.3 MV/cm，Si的击穿场强只有0.3 MV/cm，氮化镓比硅高了11倍。这意味着在承受相同电压的条件下，GaN器件可以做到比硅薄11倍，电阻也因此可以大幅减小了，在导通或切换的时阻态损失也相应减小；另一方面，宽禁带可以使得氮化镓器件可以在非常高的温度条件下使用，对于HEMT可以稳定工作在400~500℃的环境下，而硅基MOSFET通常的最高运行温度只能是125~150℃。这主要是因为当禁带宽度比较窄时，温度只要稍有上升，就会使得大量电子跃迁到导带，导致半导体的导电性增强，在某些应用中可能导致器件性能的退化。

对于氮化镓射频器件和功率器件，射频器件的工作电压较低，而功率器件的工作电压较高。对于射频器件，其工作电压（\(V_\text{DS}\)）一般也就几十伏，而对于功率器件可以达到上百伏。比如在高压场合上的工业级转换器、电信服务器、光伏逆变器、数据中心的开关模式电源供应等，其电压可以达到 \(650\,\mathrm{V}\)。对于部分数据通讯系统以工业应用场合上，最大电压可以达到 \(900\,\mathrm{V}\)，实验室中的最大电压甚至可以做到上千伏。而不同工作电压下，氮化镓材料本身的击穿场强都是一样的。这使得功率器件为了承受几百伏到上千伏的电压降，源极和漏极的间距（\(L_\text{ds}\)）必须做得比较宽，来让电场铺展开小于材料击穿电场。典型氮化镓射频HEMT的\(L_\text{ds}\)一般小于5微米，而功率HEMT的的\(L_\text{ds}\)可以接近20微米。另一方面，由于功率HEMT要处理大电流的场合，电流可以达到数十安培，因此器件的总栅宽也要大幅高于射频器件。这里的总栅宽指的是多栅器件，所有栅指宽度的总和。在多栅器件设计中，为了提高器件的电流承载能力和提升性能，单个晶体管会设计有多个较窄的栅指，而这些栅指的宽度通常以微米（μm）为单位。尽管每个栅指的宽度被限制在几百微米的范围内，但通过并行连接多个栅指，可以有效地增加总栅宽，从而提高整个器件的电流处理能力。

氮化镓的应用场景是什么？

以电压来分类的话，低压场景，漏极电压小于200V，用作dc-dc功率转换器，马达驱动，无线功率传输，LiDAR和脉冲功率应用，功放等。

这种情况下，开态电阻可以小于2mΩ，或者达到100-200mΩ

高压场景，漏极电压达到650V，工业级转换器，广电，发光，等等。

超高压场景，超过1000V，数据通信，工业应用。

为什么要异质外延？

其实晶格不匹配只是其中的一个问题一是面向热膨胀系数的不匹配，SI是2.6e-6k-1，GaN是5.59e-6k-6，这可能会导致异质外延后冷却阶段GaN层破裂；而是晶格不匹配，大约11%的不匹配，这种不匹配可能会导致什么问题呢？可能会导致位错沿着GaN外延层的传播，并导致缺陷的产生。一定要仔细地放置这种缺陷传播到2DEG区域。

从这个图其实可以清晰地看到AlN/AlGaN阶梯式成核层是怎么阻止缺陷传播的。可以看到经过AlN/AlGaN这三层多读曾以后，晶格不匹配导致的缺陷和位错已经大幅降低了。

横向器件与纵向器件的区别？

横向器件结构的限制是什么呢？尤其是当面向超高击穿电压和超高功率的需求的时候

首先，对于横向的晶体管，击穿电压取决于栅极和漏极间的距离。因此，如果晶体管想要承受更高的电压，那么它的电阻就不得不增加，同时半导体面积也相应变大了，这会导致更高的制造成本。

第二，2DEG的密度会显著受到表面电荷的影响，因此，最终器件的表现会显著依赖于工艺和BEOL。
纵向器件结构的优势是什么呢？

Si和SiC已经有很多纵向器件了，在纵向器件里，电流是从Bulk流过来的，哦那看来肖特基二极管和垂直MOSFET还是很不一样的，虽然电流都是垂直流动的，但是垂直MOSFET是沿着沟道诱导的反型层流动的，而肖特基二极管看起来是沿着整个平面去跑的。

纵向器件的击穿电压取决于轻掺杂漂移区的厚度，而不是器件整体的面积啦。

氮化镓晶体管的开态电阻（二维电子气的密度，哦，看来电阻取决于两个内容，电子数密度越多，电子弛豫时间越长，则电阻率就越低）显著依赖于GaN的本征极化电荷， \[ E = \rho j=\rho nev =\rho Ee\tau ne/m \] 包括自发极化和压电极化，但这里要注意到的是这些电荷并不是发生运动的本身，而是这些点电荷诱导形成的电场才是间接地决定了2DEG的密度。也和表面态俘获的电荷有关，比如钝化层或者钝化层和AlGaN势垒层之前形成的界面，或者buffer中的态。因此，这是非常有必要搞清楚并操纵陷阱效应，因为他们可能会限制GaN晶体管的动态表型，引起开态电阻不可逆的增加。外延层中的陷阱或者栅极中的陷阱可能会导致正/负偏置的阈值不稳定（PBTI，NBTI）