技术可能终于要商业化了。
长期以来，氮化镓在半导体中的各种用途一直处于地平线上，但由于各种技术障碍，在商业规模上实现这一点相对缓慢。这种情况可能即将改变。
的宽带隙氮化镓让它变得特别有吸引力的材料用于电源转换应用。不过，在商用设备上真正实现它的好处一直是个挑战。作为一般的经验法则，电源转换器应该能够在高达三倍的预期RMS交流电压下运行，以允许电力浪涌的安全裕度。大多数计算设备使用120V或240V壁电流，而电动汽车充电器通常提供400伏，许多工业应用依赖于480V两相电源。因此，这些应用的电源转换器需要超过1000V的工作范围。到目前为止，这些缺陷限制了GaN器件的高电压可靠性。
第一个障碍是GaN材料本身。虽然存在独立的GaN晶圆，但到目前为止，它们的直径仅限于100mm。硅基氮化镓更容易制造，在经济上也更有吸引力——更大的晶圆可以在大约相同的单片成本下支持更多的器件热膨胀和晶格失配氮化镓和硅之间会导致开裂和高缺陷水平。
奥德赛半导体公司联合创始人兼首席技术官Rick Brown估计，独立式GaN晶圆的缺陷等级在10级之间3.和105每平方厘米，而不是108到1010每平方厘米的氮化镓硅。为了实现蓝色GaN激光器，光电子学研究人员需要在GaN晶圆上生长GaN层。Brown预计，功率转换应用最终也将需要使用GaN基板。
Device-grade原文如此晶圆也只有相对较小的尺寸。相对于碳化硅，GaN器件可以更小，因为该材料能够在更高频率下工作。另一方面，SiC与硅的匹配度更好，使得硅衬底上可靠的SiC器件更容易实现。
GaN的另一个限制是缺乏可靠的区域特异性掺杂。在硅和碳化硅中，离子注入允许制造商根据所需的器件结构创建任意p型和n型区域。在这些材料中，植入后退火激活掺杂剂并修复植入物对晶体结构的损伤。相比之下，GaN材料不能忍受如此高的温度。
或者，可以通过刻蚀和再生具有所需掺杂的GaN区域来创建掺杂区域。然而，缺陷往往在现有材料和再生材料之间的界面上积累。此外，在设备运行期间，该接口受到最大电流密度的影响。
没有区域特异性掺杂技术，GaN器件仅限于水平HEMT结构．在这些晶体管中，电流沿着两种不同材料(如GaN和AlGaN)之间的界面传播，由施加的门偏置调节。
由于一些原因，hemt不适合非常高的电压应用。它们通常是“开”器件，需要栅极偏置以防止通过通道传导。在高电压下，通常在设备上既不安全又效率低下，因此它们通常与基于硅的控制逻辑配对。对于给定的设备，平面结构比垂直结构需要更多的面积。在电力设备中尤其如此，它需要终端之间的空间来防止电弧。
高压Si和SiC器件采用垂直设计，源极和漏极分别位于衬底的正面和背面。栅极偏置调制通道两侧的掺杂孔。终端之间的分离有助于电气隔离，并最大限度地减少整个系统的占地面积。
Brown表示，奥德赛半导体公司开发了一种快速退火工艺，可以在离子注入和掺杂剂激活过程中保护GaN。该过程实现了特定区域的掺杂和垂直传导装置。该公司预计今年将向潜在客户提供工程样品。如果早期的结果成立，氮化镓可能即将真正实现其在高压应用中的潜力。
图1:氮化镓薄膜(L)和氮化镓纳米线(R)的SEM暗场图像，显示N原子(黄色)和Ga原子(红色)排列的列。来源:NIST
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凯瑟琳，谢谢你的文章