氮化鎵，化學(xué)式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導(dǎo)體。氮化鎵（GaN）技術(shù)并不是一種新的半導(dǎo)體技術(shù)，自1990年起就已經(jīng)常被用在發(fā)光二極管中，但成本昂貴。

從化學(xué)命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導(dǎo)體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，也就是國(guó)內(nèi)常說(shuō)的第三代半導(dǎo)體材料的一種，實(shí)際上市場(chǎng)關(guān)注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導(dǎo)體材料。

第三代半導(dǎo)體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場(chǎng)。

GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開(kāi)發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)，而載流子濃度直接決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。簡(jiǎn)單的解釋就是氮化鎵比硅基半導(dǎo)體器件，可以在更高的溫度下工作。

氮化鎵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體，其原理于第一代半導(dǎo)體（Si）相似，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

1、高性能：具有高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，易就實(shí)現(xiàn)高工作脈寬和高工作比;

2、高可靠性：具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率，能顯著提升器件在不同溫度下的適應(yīng)性和可靠性;

3、低成本：優(yōu)良的材料性能意味著實(shí)現(xiàn)相同功能所需的材料越少，能夠有效降低成本。

氮化鎵晶體管結(jié)構(gòu)原理

與硅材料的功率半導(dǎo)體不同，氮化鎵晶體管通過(guò)兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應(yīng)形成的二維電子氣（2DEG）來(lái)導(dǎo)電，如圖所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導(dǎo)電，因此不存在硅MOSFET的少數(shù)載流子復(fù)合（即體二極管反向恢復(fù)）的問(wèn)題。

圖：氮化鎵導(dǎo)電原理示意圖

圖所示的基本氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)是一種耗盡模式（depletion-mode）的高電子移動(dòng)率晶體管（HEMT），這意味著在門極和源極之間不加任何電壓（VGS=0V）情況下氮化鎵晶體管的漏極和元件之間是導(dǎo)通的，即是常開(kāi)器件。這與傳統(tǒng)的常閉型MOSFET或者IGBT功率開(kāi)關(guān)都完全不同，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用特別是開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域是非常難以使用的。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級(jí)聯(lián)（cascode）結(jié)構(gòu)，二是采用在門極增加P型氮化鎵從而形成增強(qiáng)型（常閉）晶體管。兩者結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖：兩種結(jié)構(gòu)的氮化鎵晶體管

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個(gè)低壓的硅MOSFET級(jí)聯(lián)在一起，該結(jié)構(gòu)的好處是其驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)完全相同（因?yàn)轵?qū)動(dòng)的就是一個(gè)硅MOSFET），但是該結(jié)構(gòu)也有很大的缺點(diǎn)，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向?qū)娏鲿r(shí)又存在體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中漏極對(duì)源極出現(xiàn)的振蕩就是氮化鎵源極對(duì)門極的振蕩，由于此振蕩時(shí)不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開(kāi)通和關(guān)斷的可能。最后由于是兩個(gè)功率器件級(jí)聯(lián)在一起，限制了整個(gè)氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步減小的可能性。

由于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)存在以上問(wèn)題，在功率半導(dǎo)體界氮化鎵晶體管的主流技術(shù)是增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管CoolGaN為例，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖：CoolGaN結(jié)構(gòu)示意圖

如圖所示，目前業(yè)界的氮化鎵晶體管產(chǎn)品是平面結(jié)構(gòu)，即源極，門極和漏極在同一平面內(nèi)，這與與超級(jí)結(jié)技術(shù)（Super Junction）為代表的硅MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)不同。門極下面的P-GaN結(jié)構(gòu)形成了前面所述的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個(gè)p-GaN結(jié)構(gòu)是為了解決氮化鎵晶體管中常出現(xiàn)的電流坍陷（Current collapse）問(wèn)題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN產(chǎn)品的基材（Substrate）采用硅材料，這樣可以大大降低氮化鎵晶體管的材料成本。由于硅材料和氮化鎵材料的熱膨脹系數(shù)差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過(guò)渡層（Transition layers），從而保證氮化鎵晶體管在高低溫循環(huán)，高低溫沖擊等惡劣工況下不會(huì)出現(xiàn)晶圓分層等失效問(wèn)題。

對(duì)于氮化鎵的應(yīng)用，現(xiàn)在我們?nèi)ニ殉潆娖鳎芏嗥放贫寄芸吹降壍纳碛?。除了很?a target="_blank">知名數(shù)碼配件品牌，還有很多手機(jī)廠商如華為、小米、努比亞等。

通過(guò)種種信息，我們應(yīng)該都能發(fā)現(xiàn)，氮化鎵充電器目前已經(jīng)快要與普通充電器市場(chǎng)持平，而且，氮化鎵充電器是近幾年新開(kāi)發(fā)出來(lái)的，從剛開(kāi)始出現(xiàn)的30W到現(xiàn)在的140W、200W，相信未來(lái)還會(huì)有更多可能。

氮化鎵的未來(lái)

雖然說(shuō)第三代半導(dǎo)體正處于發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)和國(guó)際巨頭基本處于同一起跑線，這是中國(guó)追趕國(guó)外的契機(jī)。此外，第三代半導(dǎo)體工藝產(chǎn)線對(duì)設(shè)備要求低，所以第三代半導(dǎo)體工廠的投資額度大約只有第一代硅基半導(dǎo)體的五分之一，難點(diǎn)不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計(jì)，而在于工藝，而工藝開(kāi)發(fā)具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低，這對(duì)于本土企業(yè)來(lái)說(shuō)都是利好消息。

文章整合自每日財(cái)報(bào)、今日半導(dǎo)體、芯極速、智慧商系