GaN的晶體結(jié)構(gòu)及射頻應(yīng)用

鎵(Ga) 是一種化學(xué)元素，原子序數(shù)為31。鎵在自然界中不存在游離態(tài)，而是鋅和鋁生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。
GaN 化合物由鎵原子和氮原子排列構(gòu)成，最常見的是纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)（如下圖所示）呈六方形，通過兩個晶格常數(shù)（圖中標(biāo)記為a 和c）來表征。

GaN 晶體結(jié)構(gòu)

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，GaN 通常是高溫下（約為1,100°C）在異質(zhì)基板（射頻應(yīng)用中為碳化硅[SiC]，電源電子應(yīng)用中為硅[Si]）上通過金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD) 或分子束外延(MBE) 技術(shù)而制成。

GaN-on-SiC 方法結(jié)合了GaN 的高功率密度功能與SiC 出色的導(dǎo)熱性和低射頻損耗。這就是GaN-on-SiC 成為高功率密度射頻應(yīng)用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-SiC 基板的直徑可達6 英寸。

GaN-on-Si 合并的熱學(xué)性能則低得多，并且具有較高的射頻損耗，但成本也低很多。這就是GaN-on-Si 成為價格敏感型電源電子應(yīng)用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-Si 基板的直徑可達12 英寸。

那么，為何GaN在射頻應(yīng)用中優(yōu)于其他半導(dǎo)體呢？

相比Si 和GaAs 等其他半導(dǎo)體，GaN 是一種相對較新的技術(shù)，但它已然成為某些高射頻、大功耗應(yīng)用的技術(shù)之選，比如需要長距離或以高端功率水平傳輸信號的應(yīng)用（如雷達、基站收發(fā)器 [BTS]、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)[EW] 等）。

GaN-on-SiC在射頻應(yīng)用中脫穎而出，原因如下：

高擊穿電場：由于GaN 的帶隙較大，GaN 具有較高的擊穿電場，這使得GaN 設(shè)備的工作電壓可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體設(shè)備。當(dāng)受到足夠高的電場作用時,半導(dǎo)體中的電子能夠獲得足夠動能來打破化學(xué)鍵（這一過程被稱為碰撞電離或電壓擊穿）。如果碰撞電離未得到控制，則可能會降低器件性能。由于GaN 器件可以在較高電壓下工作，因此可用于較高功率的應(yīng)用。

高飽和速度：GaN 上的電子具有很高的飽和速度（在極高電場下的電子速度）。當(dāng)結(jié)合大電荷能力時，這意味著GaN 器件能夠提供高得多的電流密度。

射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積，所以，電壓越高，電流密度越大，則實際尺寸的晶體管中產(chǎn)生的射頻功率就越大。簡言之，GaN 器件產(chǎn)生的功率密度要高得多。

出色的熱屬性：GaN-on-SiC 器件表現(xiàn)出不同一般的熱屬性，這主要因為SiC 的高導(dǎo)熱性。具體而言，這意味著在消耗功率相同的情況下，GaN-on-SiC 器件的溫度不會變得像GaAs 器件或Si 器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。