鑽石基氮化鎵在下一代功率元件中大顯身手

作者: Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

氮化鎵(GaN)現在很夯。而更夯的是,為了將GaN與其他材料整合在一起以進一步提高GaN的性能,不同廠商之間展開的競爭。

氮化鎵(GaN)現在很夯。而更夯的是,為了將GaN與其他材料整合在一起以進一步提高GaN的性能,不同廠商之間展開的競爭。

「無論是在元件級還是系統級,鑽石基氮化鎵(GaN-on-diamond)都可以提供高導熱率、高電阻率和小尺寸。因此,對商用基地台、軍用雷達、衛星通訊和氣象雷達等高功率RF應用而言,鑽石基GaN功率放大器元件都極具吸引力。」Yole Développement技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋,「十多年來這項創新技術一直在開發中,預計未來幾年,RFHIC、Akash Systems和三菱電機等業界領先廠商會將其投入商用。」

由美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)機械工程系帶領的一個團隊在室溫下採用表面活化鍵合(SAB)方法,透過不同厚度的中間層,將GaN的單晶鑽石鍵合,得到了一系列結果。這種新技術可使GaN達到最好的性能,從而用於功率要求更高的場合。

要將GaN與其他材料整合,在技術上仍具挑戰。利用導熱介面和在介面處施加低應力來鍵合鑽石和GaN非常困難,但這種方法使GaN元件可以充分利用單晶鑽石的高導熱性,從而為大功率應用提供出色的冷卻效果。由於採用常溫製程,因此不會像其他標準製程那樣因熱膨脹係數不同而產生物理應力問題。

MOSFET已達極限

在電力電子產業,矽MOSFET的性能已經達到了理論極限,現在急需新的技術。GaN是一種具有寬能隙及高電子遷移率的半導體,已被證明能夠滿足新的應用。基於GaN的高電子遷移率電晶體(HEMT)元件具有出色的電氣特性,是替代高壓和高開關頻率馬達控制應用中MOSFET和IGBT的理想元件。

GaN是一種寬能隙材料,其能隙(電子從價帶躍遷到導帶所需的能量)比矽的能隙要寬得多,具體地說,GaN的能隙大約為3.4eV,而矽的能隙為1.12eV。由於所需的能量較高,GaN阻擋特定電壓所需的材料比矽要薄10倍,使元件尺寸更小。GaN HEMT的電子遷移率越高,開關速度就越快,因為聚積在異質結介面的電荷可以更快地散去。

圖1:鑽石基GaN應用一覽。(圖片來源:Yole Développement)

GaN具有更快的上升時間、更低的汲-源導通電阻(RDS(on)),以及更小的閘極和輸出電容,這些都有助於降低開關損耗,並能在比矽高10倍的開關頻率下工作。減少功耗帶來諸多好處,例如功率分配更高效、產生的熱量更少、冷卻系統更簡單。

GaN的性能和可靠性與通道溫度和焦耳熱效應有關。整合到GaN的SiC和鑽石等基板可以改善熱管理,從而降低元件的工作溫度,對於SiC基GaN元件,通道溫度降低25度,元件壽命將延長約10倍。

鑽石的導熱率比矽高14倍,而電場電阻則高30倍。由於導熱率高,因此熱傳導性好。鑽石的能隙為5.47eV,擊穿場強為10MV/cm,電子遷移率為2,200cm2 Vs,導熱率約為21W/cmK。

由喬治亞理工學院、日本明星大學和早稻田大學組成的一個合作開發團隊展示了一種新技術,可讓具有高導熱率的材料更加靠近主動元件中GaN的區域,從而最大限度地提高大功率應用中GaN的性能。

GaN元件已廣泛用於光電子、RF和汽車領域。鑽石基GaN的主要市場則是防禦雷達和衛星通訊,目前也已開始針對5G基地台應用進行大規模生產。

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