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GaN功率器件未来5-6年的发展趋势

发表时间:2021-12-24 14:03作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

各行各业如今都在追求“效率”“能效”,电源、功率相关的应用上,更高的效率意味着更高的功率密度:包括追求体积更小的解决方案,并确保所需的功率级;包括数据中心、电动汽车等诸多领域,都有这样的需求。与此同时电源管理系统对于实现更高的效率,降低总成本也是有价值的。


这些需求自然也推升了半导体材料的突破,所以这两年我们看到原本主流基于硅的功率半导体因受限于高压,当前行业正转向更高开关频率、最小化开关损耗的的方案,比如说基于GaN氮化镓的功率器件——实现整体AC/DC转换效率达到大约98%。


以GaN为代表的新一代半导体材料具有宽带隙、高击穿场强、高电子饱和速度、耐高压高温等独特优势, 综合特性远高于 GaAs 和 Si 等半导体材料,极为适用于固态大功率器件及高频微波器件,在雷达、电子对抗和移动通信等军民领域引起了高度关注,是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。尤其是 AlGaN /GaN 高电子迁移率晶体管( HEMT) 成为近十年来的研究热点。




最新研究报道,GaN HEMT的直流功率密度可达到56W/mm,射频功率密度可高达42W/mm(S频段)。然而随着功率器件高集成度和大功率化的发展,尤其是美国DAPAR提出的微电子器件SWaP(Size,Weight and Power)的更小尺寸、更低质量及更大功率的发展模式,使GaN器件在高功率密度下的热积累效应更加明显,导致GaN器件的性能和可靠性急剧衰退;同时,受GaN器件散热结构和自身材料热物性的限制,目前应用于产品工作的GaN器件的功率密度小于10W/mm,远未达到实验研究中验证的功率密度。


热积累问题——制约GaN器件发展主要技术瓶颈之一


热积累问题已成为制约现阶段GaN器件应用和发展的主要技术瓶颈之一,导致其大功率及耐高温等性能优势未得到充分发挥,因此,GaN功率器件的芯片级热管理技术研究成为器件开发的关键技术之一。


GaN功率器件的热积累直接导致器件的结温升高,在大功率条件下工作,器件就会出现输出特性的衰减现象,即GaN器件的“自热效应”,且功率密度越大,器件的这种输出特性衰减越严重。同时,GaN器件结温的升高也严重影响器件的寿命,结温越高,器件寿命越低,理论上符合Arrhenius模型,并呈指数衰减趋势。



如图,当结温大于200℃时,器件失效时间(MTTF)小于106h数量级,当结温降低至150℃时,器件失效时间上升至大于107h数量级。降低器件结温对增大GaN功率器件的寿命具有极其重要的意义。


金刚石基GaN功率器件与散热方案  


采用高热导率金刚石作为高频、大功率氮化镓(GaN)基器件的衬底或热沉,可以降低氮化镓(GaN)基大功率器件的自加热效应,并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题,因此成为近几年的一个国际研究热点。将金刚石引入高频、大功率GaN基微波功率器件和电路,解决器件的散热问题,是近几年的国际研究重点。基于多晶金刚石的衬底转移技术、基于单晶金刚石的材料直接外延技术和基于纳米金刚石薄膜的器件表面覆膜技术,在解决高频、大功率GaN基HEMT的散热方面都具有非常重要的应用潜力。下一代金刚石基GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统,为5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。


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