IR成功研制GaN功率器件技术平台

International Rectifier（IR）公司日前宣布，他们已成功研制出具有革命意义的基于氮化镓（GaN）材料的新一代功率器件技术平台，该平台将为诸多领域内的关键应用提供强力支持。     

GaN基SBD功率器件研究进展

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基肖特基势垒二极管(SBD)功率器件具有耐高温、耐高压和导通电阻小等优良特性,在功率器件方面具有显著的优势。概述了基于功率应用的GaN SBD功率器件的研究进展。根据器件结构,介绍了基于材料特性的GaN SBD和基于AlGaN/GaN异质结界面特性的GaN异质结SBD。根据器件结构对开启电压的影响,对不同阳极结构器件进行了详细的介绍。阐述了不同的肖特基金属的电学特性和热稳定性。分析了表面处理,包括表面清洗、表面等离子体处理和表面钝化对器件漏电流的影响。介绍了终端保护技术,尤其是场板技术对击穿电压的影响。最后探讨了GaN基SBD功率器件未来的发展趋势。     

被写进“十四五”的氮化镓(GaN),各场景应用齐头并进

氮化镓作为一种第三代半导体材料,近两年时间里在消费类电源市场中得到了广泛应用。尤其是随着各大手机、笔电品牌纷纷入局氮化镓快充,氮化镓功率器件的性能得到进一步验证,同时也加速了氮化镓技术在快充市场中的普及。目前快充电源市面.上的应用的氮化镓主要以三种形式,分别是GaN单管功率器件,内置驱动器的GaN功率芯片,以及内置控制器、驱动器、GaN功率器件的合封芯片。其中以GaN单管功率器件发展最为迅速,尤其是十四五规划出台以来,国家加大了对第三代半导体扶持力度,基于不同品牌GaN器件开发的快充产品也相继量产。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换北大核心CSCD

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

iP2010／11：氮化镓集成功率级器件

IR推出商用集成功率级产品系列,采用了IR革命性的氮化镓（GaN）功率器件技术平台。iP2010和iP2011系列器件是为多相和负载点（POL）应用设计的,包括服务器、路由器、交换机,以及通用POLDC／DC转换器。     

高频功率AlGaN/GaN HEMT 的栅结构优化

本文研究了栅帽、栅源间距对AlGaN/GaN HEMT性能的影响。基于研究结果得出了优化高频功率AlGaN/GaN HEMT栅结构的方法。缩小栅场板可以有效提高器件的增益、截止频率（ft）、最大震荡频率（fmax）。通过减小栅场板长度,栅长0.35 器件的ft达到了30GHz、fmax达到了80GHz。采用tao型栅（栅帽偏向源侧）或者增加栅金属厚度还可以进一步优化 。缩小栅源的距离可以提高饱和漏电流和击穿电压,从而提高器件的输出功率。     

面向下一代GaN功率技术的超薄势垒AlGaN/GaN异质结功率器件

Al GaN/GaN异质结型功率电子器件具有高工作温度、高击穿电压、高电子迁移率等优点,在推动下一代功率器件小型化、智能化等方面具有很大的材料和系统优势。从5种实现增强型GaN基功率电子器件的方法入手,重点介绍了采用超薄势垒Al GaN(小于6 nm)/GaN异质结实现无需刻蚀Al GaN势垒层的GaN基增强型器件的物理机理和实现方法。同时介绍了在超薄势垒Al GaN/GaN异质结构上实现增强型/耗尽型绝缘栅高电子迁移率晶体管单片集成的研究进展,进一步论证了在大尺寸Si基Al GaN/GaN超薄势垒平台上同片集成射频功率放大器、整流二极管、功率三极管等器件的可行性,为Si基GaN射频器件、功率器件、驱动和控制电路的单片集成奠定了技术基础。     

C波段GaN空间合成固态功率放大器

GaN功率器件具有高功率密度和高效率的优点,配合高合成密度和高合成效率的功率合成器,可以有效地提高功放的效率和减小功放的体积。开发了一种高密度、高效率的C波段空间功率合成技术,并且基于南京电子器件研究所自主研制的GaN功率器件进行了16路的功率合成,获得了800 W的输出功率和28%的功率附加效率,合成效率达到88%以上。     

L波段GaN HEMT器件的研制

基于标准工艺自主研制了L波段0.5μm栅长的GaN HEMT器件。该器件采用了利用MOCVD技术在3英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上生长的AlGaN/GaN异质结外延材料,通过欧姆接触工艺的改进将欧姆接触电阻值控制在了0.4Ω·mm以内,采用场板技术提高了器件击穿电压,采用高选择比的刻蚀工艺得到了一定倾角的通孔,提高了器件的散热能力及增益。结果表明,采用该技术研制的两胞内匹配GaN HEMT器件在工作频率1.5~1.6 GHz下,实现了输出功率大于66 W、功率增益大于15.2 dB、功率附加效率大于62.2%。     

C波段160W连续波GaN HEMT内匹配功率器件研制

基于GaN功率器件工艺自主研发的大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,采用内匹配技术和宽带功率合成技术相结合的方法,研制出了一款C波段160 W连续波GaN HEMT内匹配功率器件。通过优化管芯的结构,设计出了满足连续波使用要求的大功率GaN管芯,然后进行了内匹配器件的设计,在设计中首先采用负载牵引法进行了器件参数提取,并以此为基础设计了阻抗变换网络进行阻抗变换和功率合成。研制出了工作频率为4.4~5.0 GHz、工作电压32 V、连续波输出功率大于160 W、功率附加效率大于50%、功率增益大于12 dB的GaN HEMT内匹配功率管,具有广阔的工程应用前景。     

高耐压Si基GaN功率电子器件

基于Si基GaN HEMT材料制作了击穿电压530V、无场板的功率电子器件。器件制作工艺与现有GaN微波功率器件工艺兼容。研究了器件栅漏间距与击穿电压的关系。器件栅宽为100μm,栅漏间距为15μm时,得到的GaN HEMT器件击穿电压530V,最大电流密度536mA/mm。器件的特征通态电阻为1.54mΩ·cm2,是相同击穿电压Si MOSFET器件特征通态电阻的二十五分之一。所制作的6mm栅宽器件击穿电压400V,输出电流2A。该器件的研制为制作低成本GaN HEMT功率器件奠定了基础。     

GaN基HFET电力电子器件的研究

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基HFET功率器件具耐高压、高频、导通电阻小等优良特性,在电力电子器件方面也具有卓越的优势。概述了基于电力电子方面应用的AlGaN/GaN HFET功率器件的研究进展。从器件的结构入手,介绍了AlGaN/GaN HEMT的研究现状,从栅材料的选取以及栅介质层的结构对器件性能的影响着手,对AlGaN/GaN MIS-HFET的研究进行了详细的介绍。分析了场板改善器件击穿特性的原理以及各种场板结构AlGaN/GaNHFET器件的研究进展。论述了实现增强型器件不同的方法。阐述了GaN基HFET功率器件在材料、器件结构、稳定性、工艺等方面所面临的挑战。最后探讨了GaN基HFET功率器件未来的发展趋势。     

富士通半导体明年计划量产氮化镓功率器件

<正>富士通半导体(上海)有限公司近日宣布采用其基于硅基板的氮化镓(GaN)功率器件的服务器电源单元成功实现2.5 kW的高输出功率,富士通半导体计划将于2013年下半年开始量产这些GaN功率器件。这些器件可广泛用于电源增值应用,对实现低碳社会做出重大贡献。与传统硅基功率器件相比,基于GaN的功率器件具有导通电阻低和能够进行高频操作等特性。而这些特性恰恰有利于提高电源单元转换效率,并使电源单元更加紧凑。富士通半导体计划在硅基板上进行GaN功率     

X波段300 W GaN功率器件技术

介绍一种基于国产氮化镓(GaN)外延材料的X波段300 W GaN高效率内匹配器件技术。该技术采用大栅宽芯片的大信号有源模型和封装管壳、键合引线、电容等无源模型,开展X波段300 W内匹配功率器件的设计。采用四胞匹配合成电路,使用L-C网络提升器件阻抗,通过λ/4阻抗变换网络进行阻抗变换和功率合成,实现阻抗50 Ω匹配,功率分配器和匹配电容使用高Q值陶瓷基片实现。仿真实验证明,该器件在9.5~10.5 GHz频率内输出功率大于300 W,功率增益大于9 dB,功率附加效率大于38.9%。同时研究了器件输出功率和功率附加效率随工作电压、脉冲宽度、占空比变化情况。     

氮化镓功率半导体器件技术

作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,特别是大直径硅(Si)基GaN外延技术的逐步成熟并商用化,GaN功率半导体技术有望成为高性能低成本功率技术解决方案,从而受到国际著名半导体厂商和研究单位的关注。总结了GaN功率半导体器件的最新研究,并对GaN功率器件发展所涉及的器件击穿机理与耐压优化、器件物理与模型、电流崩塌效应、工艺技术以及材料发展等问题进行了分析与概述。     

基于新型GaN高功率器件的功率模块设计

设计和实现一种基于新型氮化镓高功率器件的功率模块,该模块发挥了GaN器件高峰值功率、高功率密度的优势,提高了高功率发射系统的可靠性、设备工程化程度及设备集成度,降低了设备成本,为超高峰值功率发射系统研制打下了坚实基础,为其他类似产品的研制提供了重要的技术参考。     

C波段大功率GaN HEMT内匹配器件

基于GaN微波功率器件工艺制作了大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,通过负载牵引及建模技术提取了管芯的输入阻抗、输出阻抗.采用二项式多节阻抗匹配变换器实现了宽带功率分配器及合成器电路的制作,通过采用LC网络提升了管芯输入阻抗、输出阻抗,加入了稳定网络,实现了50 Ω阻抗匹配.采用高热导率金属陶瓷外壳,提高了器件散热能力.最终研制成功大功率GaN HEMT内匹配器件,器件采用四胞管芯功率合成技术,总栅宽为40 mm.测试结果表明,频率为4.5～4.8 GHz,脉宽300μs,占空比10％,工作电压VDSs为28 V,器件的输出功率大于120 W,功率附加效率大于50％,功率增益大于11 dB.     

S波段GaN微波功率器件的研制

简要介绍了第三代新型半导体材料GaN的特点和优势,基于Agilent ADS微波仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件。测试结果表明,该器件适用于2.7～3.5GHz的超宽带,连续波和脉冲制式均可工作,在饱和状态下,输出功率大于15W,增益达到13dB,漏极效率超过45%,并在管壳内部实现了匹配和偏置电路,对GaN MOSFET微波功率器件小型化、超宽带、高增益和高效率的优异性能得以验证和实现。     

GaN基互补型逻辑电路的研究进展及挑战

氮化镓（GaN）基异质结场效应晶体管具有工作频率高、导通损耗低等优点,已经开始广泛应用在多种高频、高效功率转换器中。为了充分发挥GaN功率器件的潜能,需要将功率开关器件和控制器、驱动等外围电路进行全GaN单片集成以减少寄生参数。互补型逻辑电路是实现集成的关键元电路之一,但其研究起步较晚。介绍了n沟道和p沟道GaN增强型器件的制备方案及互补逻辑电路的研究进展。从电学性能匹配性及稳定性出发探讨了现有互补型逻辑电路面临的关键科学问题,可以为GaN基互补型逻辑电路的研究提供参考。