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氮化镓未来十年的工作重点

judy — Sat, 02 Apr 2022 01:45:23 +0000

本文转载自：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自tech insights

对于任何半导体来说，封装对于电气隔离、产品稳健性和热管理都很重要。尤其是对于功率半导体来说，这是至关重要的。

随着向碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 材料的转变，这些材料实现的更高电流密度和开关速度带来了更严格的封装要求。

在处理 GaN 时，与硅 (Si) 相比，还有两个额外的考虑因素可以优化器件性能。

通过 GaN/AlGaN 异质结界面处的二维电子气 (2DEG) 通道实现 GaN 的快速切换潜力。

GaN的导热性比较差。（在 300 K 时约为 1.3 W/cm.K，而硅的 1.49 W/cm.K 和碳化硅的 3.7 W/cm.K）

假设体热导率并不明显低于硅，但请记住更高的电流密度——它仅限于异质结周围的一个小区域。

尽管并不理想，但传统的 Si 封装可以并且已经用于封装 GaN 等 WBG 器件。TO-247 封装通常用于硅 (Si) 功率 MOSFET 和 IGBT，其中die底部（即漏极或集电极触点）直接接合到铜引线框架。在应用中使用时，标准做法是使用通孔开口将其直接安装到散热器上。

这个想法相当好地转移到了 SiC MOSFET，它们与 Si 对应物具有相似的结构。然而，今天的 GaN 器件采用横向设计，结构仅限于芯片顶部。这意味着失去了大部分冷却效益。横向 GaN 结构带来的另一个挑战是布局相关。所有三个器件端子（栅极、源极和漏极）都需要焊盘和相关的键合线以某种方式安装在芯片周围。

使用 GaN 的一个主要卖点是能够缩小产品尺寸。因此，对于分立 TO-247 封装中的 Si 功率 FET，相同的电压和电流额定 GaN 对应物可以封装在表面贴装 QFN 型封装中。

不幸的是，从热管理的角度来看，这使得事情更具挑战性。请记住，更高的电流密度将需要更严格的封装解决方案——QFN 中更小的芯片需要更多的热管理而不是更少。今天，一些制造商已经开始调整这些封装以适应他们的应用。

例如，参见 Navitas NV6128，这是一款单片集成 GaN IC，适合 QFN 封装的多个输出端口。如下图所示，可以看到带有端口注释的封装底部。GaN die位于冷却垫“CP”顶部的一侧。这对于这个设备来说显然已经足够了；尽管有趣的是，对于Navitas 最近宣布的带有“GaN Sense”的第三代 GaN，他们将重点放在了用于检测和控制工作温度的控制电路上。

其他制造商已开始关注 GaN 特定封装解决方案。例如，GaN Systems 有几个封装，其中嵌入了芯片。如下图中的 GS61008P 横截面图。铜柱通过封装通孔直接连接到管芯的顶部和底部，然后将它们连接到散热器。

GaN 的另一个考虑因素是什么——优化开关性能？最小化封装寄生元件是实现这一目标的关键。EPC采用基本无封装或“晶圆级”封装的激进方法。这本质上只是一个带有焊料凸块/焊条的钝化芯片，用于直接连接到 PC（参见下图）。由于缺少相关的键合线，寄生电感被最小化，接口的热阻源也被最小化，因为理论上芯片本身可以直接键合到散热器。然而，电路设计人员在芯片贴装时需要注意和可能的特殊条件。EPC 最近打破了这一传统，推出了一款封装器件 EPC2302. 这种顶部暴露的情况似乎是晶圆规模和嵌入式芯片之间的某种折衷方案。

另一种降低电感的方法来自 Nexperia 的“铜夹”设计。他们最小化寄生电感的想法再次是通过移除键合线。如下图中 PSMN3R9 Si MOSFET 的横截面（请注意，该封装也已应用于 GaN 器件）。

下图显示了该设备的平面图，它已被喷射蚀刻以暴露铜夹。这直接焊接到芯片的源极触点。

总结

尽管 GaN 等宽带隙器件的定制封装仍处于起步阶段，但它是一个将在未来十年内得到大力发展的主题。有创新的解决方案可以转移器件端子，例如焊盘下电路 (CUP) 结构和穿 GaN 沟槽开始进入市场。

目前正在进行关于更好的热界面材料和芯片连接方法的学术研究。从传统的焊接转向使用银的烧结方法正在获得动力。

GaN 尚未在高功率模块设计中找到立足点，但在尖端的 SiC 模块中，我们开始看到特殊的陶瓷基板（如 Si 3 N 4和 AlN）用于出色的散热。

Die本身有解决方案吗？Power Integrations 采用的是使用蓝宝石衬底上的氮化镓晶圆而不是硅衬底上的氮化镓的方法，而学术研究则研究了更奇特的方法，例如在金刚石上生长的 GaN。

像所有功率半导体一样，没有一种万能的方法，我认为我们将看到更多的多样性和量身定制的解决方案向前发展，这将是令人着迷的！

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氮化镓的十大关键要点

judy — Wed, 30 Mar 2022 07:14:06 +0000

没有时间？那就从这里开始吧！这个快速列表概述了这本书的要点。阅读本章节要点，如果有您感兴趣的内容，可在之前章节中查看完整的阐述说明。

» 氮化镓 (GaN) 是一种高性能化合物半导体。GaN 是一种 III-V 直接带隙化合物半导体，就像砷化镓 (GaAs) 一样。化合物半导体可在许多微波射频 (RF) 应用领域中提供速度和功率的出色组合解决方案。

» GaN 可为射频应用带来独特的优势。GaN 独特的材料属性可为射频系统提供高功率附加效率 (PAE)、高功率输出、小巧外形、宽带宽、热优势和坚固耐用等优势。

» 许多商业、国防和航空系统都使用 GaN。GaN 独特的优势支持许多新的和现有的应用，包括雷达、卫星通信、商业无线网络和有线电视。

» GaN 对 5G 至关重要。为满足 5G 对数千兆网速和超低延迟性能的要求，设备制造商开始在大规模多路输入 / 多路输出 (MIMO) 系统中部署高功率 GaN。

» GaN 可用于整个射频前端。GaN 最初用于制造功率放大器 (PA)，但现在用于低噪声放大器 (LNA)、高功率开关和混频器。

» 多种 GaN 工艺和封装选项支持不同的应用。GaN 半导体制造商已经开发了多种工艺和封装选项，使系统设计人员能够更轻松地找到适合其特定应用的分立元件、单芯片微波集成电路 (MMIC) 或模块。

» GaN 极其可靠，即使在恶劣的环境下亦是如此。GaN 在 200℃温度条件下，平均无故障时间 (MTTF) 超过 1000 万小时；在 225℃ 温度条件下，MTTF 超过 100 万小时，比其他半导体技术更加可靠。

» GaN 可用于大批量生产应用。美国国防部 (DOD) 将 GaN 归类为最高级别制造成熟度 (MRL)（即 MRL 10）的工艺，这意味着全速生产和精益生产实践已经就绪。

» GaN 正在开拓新市场。由于其独特的性能，GaN 开始扩展到许多新的领域，包括汽车、医疗系统和先进的科学应用。

» GaN 技术将继续发展。未来 GaN 技术和封装方面的创新将支持更高的频率、更高的电压，甚至更宽的带宽，从而进一步推动 GaN 的普及。

文章来源：Qorvo半导体

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深入了解 GaN 技术

judy — Mon, 21 Mar 2022 02:26:34 +0000

本章将深入探讨氮化镓 (GaN) 技术：其属性、优点、不同制造工艺以及最新进展。这种更深入的探讨有助于我们了解：为什么 GaN 能够在当今这个技术驱动的环境下发挥越来越重要的作用。

GaN ：可靠的技术

GaN 是一项久经考验的化合物半导体技术。自 20 世纪 80 年代以来，化合物半导体一直都是高性能应用中的主导微波集成电路 (IC) 技术。这是因为与简单的硅基半导体器件相比，它们可实现卓越的速度和功率组合。

化合物半导体由元素周期表中的两个或两个以上不同元素族组成，而简单的半导体器件则由硅 (Si) 等单元素组成。如图 2-1 所示，GaN 是其中一种化合物半导体，它将元素周期表的第三列和第五列元素组合在一起，因此被称为 III-V 化合物半导体。

图 2-1 ：简单半导体与 III-V 化合物半导体

这些 III-V 半导体可用于各种应用。在过去的四十年，砷化镓 (GaAs) 应用最为广泛，全球运行着数十亿个 GaAs IC。与 GaAs 相比，GaN 可实现更出色的速度和功率处理组合。在晶体管速度给定的情况下，GaN 具有出色的功率性能，因此能够在频率范围广泛的数千个应用中取代其他技术。

GaN 单芯片微波集成电路 (MMIC) 和分立式晶体管于 2000 年代后期首次投入生产，主要针对最高功率水平的固态应用。在毫米波 (mmWave) 应用中，GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs，与竞争技术中 MMIC 提供的功率水平相比，GaN 可在 Ka 频段实现数十瓦的功率。在较低的频率下（如 L 频段），GaN 晶体管可实现超过 1,000 瓦的功率！

正如我们在第 1 章中提到的，GaN 可以使用多种基板材料，如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金刚石。GaN 可与高热导率基板（如 SiC）兼容，从而增强了其在高功率应用中的优越性。

体管 GaN 固有的材料属性如何创造卓越的射频晶

从概念上讲，使用 GaN 构建的场效应晶体管 (FET) 与使用其他半导体材料（如 GaAs、磷化铟 (InP) 或 Si）构建的使用栅极触点或节点的晶体管类似。如果为 GaN 射频 (RF) 器件，其实现通常是耗尽型高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

耗尽型 HEMT 对栅电极施加负偏压。这样就切断了漏极和源极之间的电流。当施加的栅电压为零时，耗尽型 FET 设计为处于开启状态；可通过将栅极拉大阈值电压以下将其关闭。

GaN 器件由纵向材料结构和横向结构组成，前者定义了许多固有属性，后者实现了与材料结构的接触并电荷流的控制（参见图 2-2）。与其他 FET 一样，横向结构包括源极、漏极和栅极触点。通常，附近还有其他结构提供磁场控制，如图 2-2 中所示的源场板。

静观其变:

Qorvo 制作了一个非常有用的视频，解释如何正确地打开或关闭 GaN HEMT 晶体管。欲查看“如何偏置 GaN 晶体管：入门教程”，请访问： www.qorvo.com/design-hub/videos/how-to-bias-gantransistors-an-introducti...。

图 2-2 ：基本的 GaN FET 几何结构

下面为图 2-2 所示内容：

» 屏障提供了两个关键功能：实现栅极和信道之间的隔离，以及支持电子流动的电荷容量。它通常由氮化镓铝 (AlGaN) 制成。

» 信道为纯 GaN。它可以为漏极触点和源极触点之间的电流提供传导路径。GaN 的高饱和速度和迁移率可实现器件漏极和源极之间的高速传输和电流电平。

» 缓冲用于限制信道内的电荷流，以避免泄漏到基板，并保证晶体管器件之间的隔离。

» 基板决定了器件的机械和散热性能。功耗较高的器件可受益于具有较高热导率的基板。SiC 基板材料使用便捷，可提供出色的散热性能，同时兼容 GaN 材料生长和 MMIC 制备。

以下是横向结构的重要功能：

» 器件的栅极控制从漏极到源极触点且流经器件的电流。栅极的长度决定了器件的速度和电子流经控制区域的时间。

» 源极和漏极触点提供本征器件的低阻接入。栅极与这些触点之间的隔离不仅会产生不必要的寄生接入电阻，而且还会增加支持预期操作所需的击穿电压。

GaN 工艺选项解密

通过在晶体管速度、电流能力、击穿电压、效率和可靠性之间进行权衡，可针对目标应用对 FET 进行优化。为满足不同 GaN 应用的需求，制造商提供了频率和功率水平范围广泛的多种工艺技术。有了多个 GaN 工艺可供选择，电路设计人员可以将特定的 GaN 工艺技术与应用进行最优匹配，从而简化并加快设计。图 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工艺技术，这些技术旨在适应多个市场领域的各种应用。

图 2-3 ：AB 类性能的 Qorvo GaN 工艺技术选项

例如，功率非常高的应用（如工作频率为 2 GHz 的 1 kW 晶体管）将受益于具有较高击穿电压的 GaN 工艺，因为它提高了工作电压和射频功率密度。工作电压的提高也会提高输出效率。这是提高接入电阻和降低晶体管速度之间的权衡。Qorov GaN50 工艺能够在 65 V 的电压条件下运行，同时也具有这些优势。

毫米波功率放大器 (PA) 应用（如工作频率为 30 GHz 的 20 W MMIC）要求使用能够在高频率条件下提供较高增益的高速器件。器件设计的权衡将有利于缩短栅极长度，最小化接入电阻，以及最大限度地提高电流容量。从而可以降低击穿电压和功率密度。Qorov GaN15 工艺能够在最高 28 V 的电压条件下运行，同时也具有这些优势。

在这两个示例中，GaN 器件提供了比其他技术更高的工作电压，从而展示了该技术固有的速度和电压优势。较高工作电压的优势不仅仅局限于 PA 电路，它还可以为整个系统带来好处。

例如：相位阵天线系统（GaN PA 的常见应用）可能需要数百或数千个单独的功率放大器。

这些天线阵列系统中的直流配电一直都是一大难题，因为电源会占据空间，增加重量，并引起直流电源损耗。但 GaN 具有较高的工作电压，可实现更低的直流电流和出色的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 性能，以应对这些系统所面临的直流配电挑战。

GaN 器件的可靠性评估

在所有电子系统中，可靠性都极其重要，因此在选择半导体时，可靠性是一个关键考虑因素。GaN 的一个关键优势就是，与其他半导体相比，它可以在更高的电压和功率密度下运行。GaN 可以满足这些严苛要求，在高结温条件下具有经过实践证明的可靠性，同时可在 200℃ 温度条件下实现超过 107（1000 万）小时的平均无故障时间 (MTTF)，在 225℃ 温度条件下实现超过 106（100 万）小时的平均无故障时间。GaN 具有更高的安全运行通道温度和更长的使用寿命，使系统设计人员能够推动其应用和产品的进步。

GaN 制造商采用不同的故障分析方法：一些依赖于热成像，而另一些则使用热成像、产品包装测试和建模的组合方法。但所有制造商和标准机构都同意：与其他技术相比，GaN 在高功率、高温应用方面更可靠。如图 2-4 中所示，GaN 的可靠性远远超过了基于 GaAs 的晶体管。

图 2-4 ：使用 Qorvo MTTF 曲线进行

GaN 与 GaAs 技术器件的可靠性比较示例 GaN 应用通常会使器件处于更高应力的工作条件下，如更高的电流密度、更高的环境温度和更高的电场。无论是器件设计还是器件使用的结果，这些问题都可能是由压电效应、热失配或封装引起的。

GaN 器件还有一个需要注意的固有器件特性：由 GaN 固有的压电特性引起的应力。图 2-5 展示了 GaN FET 的峰值应力区域。然而，在 GaN 器件中，这种行为很好表征，也易于理解。因此，使用目前的 GaN 工艺技术，这不再是问题。

图 2-5 ：FET 的高电场区域

如今，GaN 器件被用于可靠性要求最严苛且最具挑战性的各种应用，包括任务关键型系统和航空应用。GaN 的可靠性和稳定性超越了晶体管和 MMIC 工艺，经过优化可应对 GaN 应用范围不断扩大所面临的电气、散热和环境挑战。其环境稳定性可实现当今所有 GaN 工艺的裸片级高加速应力测试 (HAST) 兼容性。GaN 的封装和互连技术也在不断进步，以保持同步。

例如：当今的 Qorvo GaN 技术可用于大批量、制造成熟度 10 级 (MRL 10) 的成熟工艺。MRL 是美国国防部 (DOD) 制定的一种衡量标准，用于评估制造成熟度。MRL 10 是最高级别的制造成熟度，表明全速生产和精益生产实践已经就绪。

GaN 技术不断进步，以支持更广泛的应用。这些进步包括在宽带频率范围中支持更高的工作频率和不断增加的功率水平。与大多数其他技术进步一样，小批量生产能力正在向大批量的成熟生产工艺转移。

GaN 的一个关键进步就是，通过缩短 GaN 栅极长度，可在极高频率（100 GHz 或更高）下运行。另一个进步就是输出功率水平：当工作电压提高时，GaN 可以在较低的频率下实现较高的功率密度。

如今，GaN PA 设计通常遵循这样一个原则：1 GHz 频率下为数千瓦，10 GHz 频率下为数百瓦，100 GHz 频率下为数十瓦。在过去五年，这一粗略的品质因数翻了三倍，且仍在继续提高。

GaN 技术将继续发展，同时进一步扩大 GaN PA 频率范围，提高其功率水平。其他参数也正在探索之中，如增加高功率放大器 (HPA) 带宽和提高效率。GaN 器件性能的提高和电路设计技术的进步可实现这些领域的不断进步。

GaN 在过去 20 年中已经长足发展，如今正在进一步改进，实现更广泛部署。我们可以肯定的是，未来 GaN 技术将进一步改进，其应用范围也将更加广泛。

文章来源： Qorvo半导体