|
|
|
适用于宽带应用的氮化镓晶体管
|
|
GaN Transistor Suitable for Broad-Band Application
|
氮化镓晶体管可耐受极度高温，并且其频率和功率特性远远高于硅、砷化镓、碳化硅、以及迄今为止所制造的所有半导体器件。此类器件的频率和功率处理能力对于为技术领域带来革命的高级通信网络中的放大器、调制器和其它关键器件非常重要。未来的无线网络基站就是一个很好的例子。
未来的无线网络可使人们利用手机、PDA或其它便携式设备访问可支持视频或高质量音频应用的高速数据流。然而，如何使手机基站中的放大器能够处理未来任何人都可随时随地下载全动感视频数据时所产生的巨大数字流还是一个问题。目前，手机基站中的放大器已经接近其性能极限。现有放大器采用的是效率只有10%的硅芯片技术，这意味着到达晶体管的能量中有90%以热量的形式浪费了。强力的风扇必须不断地运转以将放大器产生的这些热量带走。此外，还需要复杂的电路来校正谐波和其它失真。
氮化镓（GaN）晶体管可将基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍，因此可以用较少数量的基站覆盖同样的地区，或者，更可能的情况是，在基站数量不变的情况下提供更高的数据传输速率。由于不再需要强力风扇和校正电路，整个基站有可能缩小到只有小型电冰箱的大小，可以安装在电线杆上，而不必占据电话公司中心局中昂贵的空间。
这一速度、高功率和耐热性能的组合还使GaN晶体管适合无数的其它应用。例如，汽油电力混合汽车需要用电路将电池中的直流电转换为可驱动电机的交流电。GaN晶体管对此类电路非常理想。
绿色、蓝色以及更短波长
氮化镓最近的历史确实色彩绚烂。1990年代，日本Nichia Chemical Industries利用GaN材料首先制成了绿光、蓝光、紫光和白光发光二极管（LED），并首先制造出了蓝光半导体激光器。
目前，GaN LED的应用如此普遍，您每天都可能会见到它的身影，在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中、甚至闪光灯里。
GaN LED的成功不仅仅引发了光电行业中的革命。它还帮助人们投入更多的资金和注意力来发展大功率高频率GaN晶体管。
项目结果令人振奋。晶体管的功率特性经常以器件每单位栅极宽度所能承受的瓦数来标志，晶体管中的栅极用来控制源极和漏极间的电流。为获得高功率和高频率，希望栅极宽而短。栅极宽（在垂直电流的方向）可允许通过更大的电流，因此功率也更高；栅极短（在电流方向）可缩短电子的穿越时间。最终，栅极的宽带受限于从施加信号的栅极一侧到另一侧的信号递降。
去年，康奈尔大学的小组和加州大学的小组同时制造出可在10 GHz频率下达到10W/mm（栅极宽度）功率密度的GaN晶体管，一些晶体管甚至在10
GHz下功率密度超过11 W/mm。与此相比，普通硅晶体管只能有效地放大最高2- 3 GHz频率的信号。对于碳化硅，Cree公司的实验器件达到了7.2
W/mm的功率密度，但频率不高于3.5 GHz。 砷化镓晶体管可达到10 GHz的频率，但其功率密度在这一频率下却不到1 W/mm。锗硅可达到更高的频率，但如砷化镓一样，无法做到高功率。
为什么不将多个硅器件并联以获得大功率？一个原因是，并联的硅器件仍然无法同时提供高功率和高频率特性。另一个原因是，并联的晶体管越多，电路的阻抗也会越低。最终，当阻抗足够低时，电路就会变得无用，因为将其与任何其它电路相连时都需要中间电路。由于并联晶体管的阻抗如此低，能够耦合出的额外功率都会被中间电路耗尽。
高温对氮化镓也不是问题。在Astralux的实验中，一只GaN晶体管在300 C的高度下仍然工作正常，增益约为100。与此对比，硅晶体管在140
C左右就停止工作了。这一结果预示着GaN电子可以很好地适用于引擎、卫星和其它高温环境。
美中不足之处
有如此多的优点，为什么现在GaN晶体管还没有获得普遍应用呢？基本上，现在还没有比较便宜的GaN衬底材料。衬底是制造半导体器件的基础，器件或电路就是在衬底上制造的。
衬底晶圆是从大块柱状晶体（称为晶棒）上切下来的。不幸的是，没有人知道如何生长氮化镓晶棒。因此目前的多数试验人员都是在蓝宝石或碳化硅衬底上制造GaN器件。
看起来，碳化硅与氮化镓匹配得更好一些，两种化合物的晶格不匹配仅3.3%（蓝宝石和氮化镓的晶格不匹配为14.8%）。而且，碳化硅的导热特性甚至比氮化镓还好。
当然，所有这些优点都代价不菲。一块在碳化硅上覆盖有GaN的50mm晶圆可制造几千个晶体管，其成本超过1万美元，远远高于更大尺寸的硅晶圆。
晶莹剔透
除了导热性能是砷化镓的数倍以外，氮化镓的击穿场强也更高（因此可承受更大的功率），同时还有优异的电子输运特性（从而使其可工作于高频率）。
半导体器件的雪崩击穿场强是指引发雪崩效应所需要的以每厘米百万伏特表示的电场强度。这种情况发生在电场足够强，可以从半导体晶体原子中解放出越来越多的电子和空穴的时候。最终，当大量电子和空穴从原子中解放出来时，通过半导体的电流将会激增并最终将半导体烧坏。
高的击穿场强非常有利，因为利用这种材料制造的半导体器件可在较小的尺寸里承受更高的电压。例如，场效应管（FET）可以承受更大的电压，而更大的电压和更大的电流则意味着器件可承受的功率密度更大。
氮化镓的击穿场强约为3 MV/cm，与此相比，砷化镓仅0.4 MV/cm 。碳化硅的击穿场强也约为3 MV/cm，但是缺少氮化镓那么好的电子输运特性。
顺便说一句，击穿场强高的原因是由于材料的宽能隙。半导体材料的能隙是指将电子从所谓的价带（在价带中电子不是自由的，不能导电）跃迁到导带（在导带中电子是自由的）所需要的能量值。在一些半导体材料中，一个电子从高能量的导带跃迁回价带时会发射一个光子。能隙越宽，能量越高，因此，所发射光子的频率也越高。这一事实解释了做为能隙最高的半导体材料之一的氮化镓为什么可以发射绿光、蓝光、紫光甚至紫外光。
事实上，氮化镓的能隙如此高，以致GaN材料是透明的，就象金刚石一样。可见光谱段的所有光子的能量都小于GaN的能隙，因此它们会通过GaN材料而不会被晶体吸收。这也是为什么蓝光和绿光GaN
LED在关断时透明的原因。有一天，当GaN器件和电路能够在GaN衬底上制造时，最终的芯片也将会是晶莹剔透的。
电子输运，二维电子气
氮化镓的与众不同之处在于它结合了碳化硅的高击穿场强和砷化镓、锗硅或磷化铟材料的高频率特性。虽然高击穿场强相对比较直接，但允许高频率操作的电子输运特性则更为微妙。
电子在半导体材料中的自由移动能力通常依赖于两个因素，即电子迁移率和饱和速率。
氮化镓的电子迁移率比砷化镓要低，但饱和速率差不多，约为1.3 x 107cm/s，并且在未来几年里将可达到2 x 107 cm/s。
但在氮化镓这一不同寻常的材料中，这些数字并不能代表电子如何运动的全部。当在氮化镓（GaN）上生长一层铝镓氮（AlGaN）材料时，在两种不同晶体的边界处出现一种相当明显的现象，称为异质结。这一现象对于GaN优异的高频特性有重要贡献，因此值得仔细探讨。
如所有类似晶体中一样，在GaN晶体内，每个原子都带电，或称被离子化。由于大小不同，较大的镓原子和较小的氮原子互相之间不那么规则地排列。原子的离子化和排列的不规则性导致晶体内的自发极化，即形成无数规则分布的带负电和带正电的原子。
在普通GaN晶体中，具有不同极性的小区域互相抵消了，因此极化不会累积。但在GaN晶体突然中止的时候（例如在与另一种晶体，如AlGaN形成的异质结附近）就不会完全抵消了。这时，界面处的突然变化使得在紧邻边界处某种电极性区域占有优势。而且由于两种不同的晶格结合时在界面处导致的压电极化，这种带电极化还被进一步增强了。
综合的极化作用反过来又在GaN中感应出更多的可自由移动的电子。这些电子聚集在紧邻AlGaN的极化区域附近，但由于材料的高能隙势垒，这些电子并不会跑到AlGaN中。
因此在GaN中非常靠近AlGaN界面的地方自发形成一个非常密集的二维电子"气"。幸而这与所有用作功率放大的FET所需要的配置十分类似。
FET 及双极GaN器件
普通硅FET有三个端子，分别称为源极、栅极和漏极。栅极通过一个薄的绝缘层与衬底隔开。在最通用类型的器件中，加在栅极上的正电压在绝缘层下产生一个具有许多流动电子的区域。这一区域允许电流在源极和漏极间流动。栅极施加的电压越高，电流就越大。
然而，在GaN FET中，二维电子气已经自然存在了。因此加在漏极上的正电压会立即使电流从源极流向漏极。因此，电流的大小随施加在栅极上负电压的大小而变化，施加在栅极上的负电压实际上起到限制从源极流向漏极的电子数量的功能。足够大的负压将可完全关断电子流动。因此与硅FET的常断不同，GaN
FET是常通的。
因此GaN FET的另一个独特特点：它不需要掺杂。在大多数其它半导体材料中只能通过掺入杂质使它们出现多余的电子或空穴才能生成可导电的载流子"气"。
然而，对于另一类称为双极晶体管的器件来说，GaN还是需要掺杂的。此类器件需要两类不同的材料，称为n型（有多余的电子）和p型（有多余的空穴）材料。双极晶体管是基本的半导体器件，其历史可一直追溯到1947年的贝尔实验室中。如果能够获得GaN晶体管将是非常棒的，因为双极性器件在不同频率的放大特性线性非常好。例如，对于无线基站，这一特性是非常令人神往的，因此更高的线性度将可降低不同通信信道间的干扰或串扰。
由于现在还很难制造足够好的用于双极晶体管的p型材料，因此现在的双极GaN晶体管还不如GaN FET可靠。在材料上连接电极时经常会导致p型特性的消失，而连接电极又是将器件连接到电路中所必需的。
然而，有实验成功地制造出了工作得挺好的双极GaN晶体管试验品，其电流增益大于10，击穿电压约500V。同样尺寸的硅器件击穿电压还不到100V。
替代砷化镓？
某一天，很可能几年以后，一些研究人员肯定会想出如何经济地生产大块GaN材料的方法。这一突破将使得制造具有真正惊人性能的器件成为可能。然而，在此之前，GaN晶体管就会从高性能晶体管市场中取得一定份额。实际上，我们可以预见到在未来数年中，在利用不同衬底材料（SiC、蓝宝石、甚至硅）制造GaN器件的不同组织间会有一场有趣的竞赛。
性能和成本将决定最终的赢家。目前在两方面都还有许多可以改善的空间。GaN在300K时的电子迁移率现在已达到2000 cm2/V*s。然而，这与砷化镓8500
cm2/V*s的数字相比则逊色多了。令人感到鼓舞的是，GaN的电子迁移率数字一起在提升，正如砷化镓在1980年代的情况一样。迁移率的提升源于研究人员不断改善在衬底上生长GaN的技术以及生长衬底本身的技术。
GaN器件的价格也会下降。其价格居高不下的一个主要原因在于碳化硅晶圆的成本。现在能够提供的唯一尺寸-50mm SiC晶圆约需要4000美元。但Cree公司正准备推出75mm的晶圆。更大的晶圆可使更多的半导体工厂利用标准设备来处理覆盖有GaN的晶圆，并制造出晶体管，因此有助于降低成本。
(钟)
|
|
