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氮化鎵(GaN)功率元件技術
2013/02/27-賴姿侑  

所謂「GaN」功率元件就是採用氮化鎵(GaN)作為電流通過路徑的功率元件,氮化鎵(GaN)原本被用來研究作為發光材料,目前為藍色LED等一般性發光二極體(LED)的主要零件,氮化鎵(GaN)同時也是寬能隙(WBG)的材料,除了可作為發光元件外,目前已成功地推出高頻功率放大器產品之功率元件應用。


氮化鎵(GaN)功率元件之一般特徵

氮化鎵(GaN)與矽(Si)、碳化矽(SiC)等元件之間的差異為元件的基本「型態」,圖1所示為使用氮化鎵(GaN)電子元件的一般結構,電晶體包含源極、閘極及汲極等3種電極,矽(Si)、碳化矽(SiC)元件一般所採用的電極結構為「垂直型」,亦即源極與閘極位於同一面,汲極位於機板側,而氮化鎵(GaN)則採用源極、閘極和汲極等電極全部在同一面的「水平型」結構,目前業界大多以此種「水平型」結構為研究對象,採用「水平型」結構的理由為利用存在於氮化鋁鎵-氮化鎵(AlGaN/GaN)界面中的2D電子氣體(2DEG)作為電流路徑。

圖1:氮化鎵電晶體組件結構。
氮化鎵(GaN)是一種自然會產生電極化(自發極化)的結晶,在施加壓力於結晶後會產生新的電極(偏極)的壓電材料,氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化鎵(GaN)在自發極化時會出現差異,但由於晶格常數亦有所不同,因此一旦形成氮化鋁鎵-氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結構後,就會因格子常數被加總,而造成結晶歪斜,甚至出現偏極。

此一意外形成的電極化差異,將使得氮化鎵的能帶(band),朝氮化鋁鎵(AIGaN)方向自然彎曲。因此,彎曲的部分就會產生2D電子氣體(2DEG)。此種2D電子氣體的電子遷移率極高(約1500 cm2/Vs),因此能達到非常快的切換速度。但相對地,因電子通過路徑隨時存在,即使閘極電壓0V,電流仍會通過,因此被稱之為「常開(Normal ON)元件」。


圖說:圖1:氮化鎵電晶體組件結構。

如前所述,業界對於寬能(WBG)材料的基本期許在於耐壓的提升。碳化矽(SiC)和矽(Si)基本上同樣採用垂直型結構,來達到高耐壓。不過,氮化鎵(GaN)並不相同。透過矽元件可知,如圖1所示的水平型結構幾乎無法耐壓,雖可藉由加大閘極/汲極之間的距離來提升耐壓,卻又會讓晶片的體積變大,也代表著成本上的增加。

只要採取圖1所示的結構,氮化鎵(GaN)功率元件就不具備耐壓特性,而是藉由2D電子氣體(2DEG)高速電子遷移率所帶來的高頻動作特性。因此,氮化鎵(GaN)電晶體通常也被稱為「氮化鋁鎵/氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(AlGaN/GaN HEMT: High Electron Mobility Tansistor)」。


氮化鎵(GaN)功率元件的特性

ROHM所研發的常開(Normal Open)型元件特性,閘極寬度為9.6cm。ROHM以維持其高頻特性作為目標,研究中發現到常開型元件具備了極為優異的動作特性。其中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指標代表其高速性。由於常開型元件在閘極出現負電壓時,元件將被關閉,0V時元件才會開啟。因此若以閘極電壓訊號OFF(元件開始準備開啟)時為t=0,以源極/汲極間電壓Vds降至施加電壓90%所需的時間為td(on),由90%降至10%所需的時間為tr,或是以閘極電壓ON時(元件開始準備關閉)為t=0,Vds增加至施加電壓10%所需的時間為td(off),而10%增加至90%所需的時間則以tf標示之。

以市面上的矽(Si)功率元件來說,td(on)、tr、td(off)、tf值大多在10 ns ~100 ns左右,而氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN-HEMT)的數值全部都是數ns。若要執行10 MHz、duty50%的脈衝動作,ON/OFF時間只不過50ns,但經過10ns的上升/下降動作,脈衝實際寬度會變為30ns,完全無法維持矩形波形。使用HEMT的話,即使在10MHz條件下也能執行動作。

氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN-HEMT)存在著電流崩潰(current collapse)的問題,一種在施加汲極電壓狀態下,所產生的電阻變化現象,當切換頻率改變時,會發生導通(ON)電阻變化,Vds ON時不會變為0V,OFF時也不會回到所施加的電壓值。

ROHM常開型元件在改變閘極電壓的切換頻率時,Vds的變化狀況,由於閘極驅動器並未被最佳化,因此在10MHz時,就會出現負載值(duty)無法達到50%的問題,但在這個頻率範圍內,並未出現任何電流崩潰的傾向。因此,除了常開(Normal Open)這個問題外,氮化鎵(GaN)的確具有絕佳高速動作特性。

如何讓元件常閉(Normal OFF),幾乎為所有的應用產品的設計前提,唯有改善此種具有絕佳高頻特性的常開型元件特性,並思考其應用領域方能將氮化鎵(GaN)效用發揮到極致。

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關鍵字 
Rohm功率IC氮化鎵(GaN)
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