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与GaN设备垂直

技术最终可能是商业化的边缘。

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氮化镓长期以来一直在半导体中的各种用途的地平线,但由于各种技术障碍,以商业规模实施这一商业规模相对较慢。这可能即将改变。

的宽带隙氮化镓特别是有吸引力的材料用于功率转换应用。不过,要真正意识到它在商用设备中的好处一直是个挑战。作为一般经验法则,电源转换器应该能够在3倍的预期有效值交流电压下运行,以允许电力浪涌的安全裕度。大多数计算设备使用120V或240V的墙电流,而电动汽车充电器通常提供400伏特,许多工业应用依赖于480V的两相电源。因此,用于这些应用的电源转换器需要超过1000V的工作范围。到目前为止,缺陷限制了GaN器件的高电压可靠性。

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 - 但是大热膨胀和晶格失配GaN和硅之间会导致裂纹和高缺陷水平。

Rick Brown,联合创始人和奥德赛半导体的首席技术官估计,独立的GaN晶片提供10之间的缺陷水平3.10.5.每平方厘米,比108.到10.10每平方厘米的氮化镓。为了实现蓝色氮化镓激光器,光电子研究人员需要在氮化镓晶片上生长氮化镓层。布朗预计,电力转换应用最终也需要使用GaN基板。

设备等级SIC.晶圆也只适用于相对较小的尺寸。相对于SiC, GaN器件可以更小,因为这种材料能够在更高的频率下工作。另一方面,SiC是与硅更好的匹配,使可靠的SiC器件在硅衬底上更容易实现。

氮化镓的另一个限制是缺乏强大的区域特异性掺杂。在硅和碳化硅中,离子注入允许制造商根据所需的器件结构创建任意p型和n型区域。在这些材料中,植入后退火激活掺杂剂并修复植入诱导的晶体结构损伤。相比之下,GaN材料不能承受如此高的温度。

或者,可以通过蚀刻和重新制作具有所需掺杂的GaN区域来产生掺杂区域。然而,缺陷倾向于在现有和再生材料之间的界面中积累。此外,在设备操作期间,该相同的界面经受最大电流密度。

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(如GaN和AlGaN)之间的界面传播,由外加栅极偏置介导。

由于多种原因,HEMTS不适合非常高的电压应用。它们通常是“开启”设备,需要栅极偏压以防止通过通道传导。在高电压下,通常在设备上是不安全和低效的,因此它们通常与基于硅的控制逻辑配对。平面结构需要比垂直结构的给定装置更多的区域。在功率设备中尤其如此,这需要终端之间的空间以防止电弧。

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



1评论

马克斯 说:

感谢凯瑟琳的伟大文章

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