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氮化镓渐入佳境

Bill Schweber?? 2015年11月02日 ?? 收藏1
新的IC工艺尤其是有些重要的工艺的开发和商业化,对我来说一直好像是器件技术神秘魔幻的方面。的确,我们有许多巧妙的电路、架构和拓扑结构,但构想出一种新工艺,然后使其梦想成真并可制造,并满足所有现实需要,似乎需要对物理定律、材料科学、量子理论以及其他众多科学理论充满信心。当然并不止这些:在提高了工艺技术后,还需要提供设计规则和模型,这样才能够让IC设计人员和生产流程 真正利用该工艺。

我们大多数的工艺使用硅作为衬底(又是摩尔定律),也有针对专门应用的复杂变体,如绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)。道理很明显,自从20世纪60年代和70年代硅替代锗作为半导体首选材料以来,人们对硅的研究、分析和理解已经深入到方方面面。硅不仅有幸运的电气特性,还有MEMS设计可以充分利用的良好机械特性,而且它是一种很常见的材料。它在这一点上已取得了相当大的成功,以致工程师甚至非技术人员都经常将“硅”当作“芯片”和IC的代名词。

图:我们所依赖的IC(和分立器件)的物理基础可以在经典的元素周期表的多个行列中找到,特别是第13组和第14组(以前称为第三主族和第四主族)。
图:我们所依赖的IC(和分立器件)的物理基础可以在经典的元素周期表的多个行列中找到,特别是第13组和第14组(以前称为第三主族和第四主族)。

试图去使用其它材料很难真正获得人们的关注,原因有很多(想想SiGe吧),但也有取得成功的。砷化镓(GaAs)被用于微波IC、红外发光二极管、激光二极管和太阳能电池;其中有些是大批量、较低成本的应用,但很多不是。也有GaAs的变体得到了应用,比如砷化镓铟(InGaAs)器件就被广泛用于领先的测试与测量供应商开发的35GHz示波器的模拟前端中。

现在轮到氮化镓(GaN)了,它开始在功率产品中获得越来越多的关注。最近华尔街日报上发表了一篇标题为《节能材料获得推崇(Energy-Saving Material Gets a Boost)》的、简短但文笔流畅、研究深入的文章,这篇文章说得更清楚(不好意思,这篇文章可能要付费才能看到)。文章指出,许多重大投资开始进入GaN领域,而资金是将基于GaN的功率器件转向大众市场、大批量高良率工艺所需的一个重要推手。可以肯定的是,这与“又一个智能手机应用”有很大的不同。

已经有这么多基于硅的IC可用作标准器件,何苦还要用氮化镓(GaN)呢?毕竟硅基工艺已经非常成熟,也容易理解,而且已经有庞大的多层面的基础设施支持它。答案很简单:效率。GaN器件有可能将效率提高几个百分点,因此可以开发出更小的封装、封装更容易散热的设计、更长的运行时间和更小的损耗——所有这些都是好事。鉴于这些特性的重要性在提升,不管是出于性能要求还是环境/法规强制要求,更高价格的GaN(在一定程度上)也许是可以接受的。

氮化镓(GaN)会在市场中成功地大放异彩吗?我不知道;这当然也取决于对“成功”的定义。GaN很可能达不到兆硅数字处理器IC的有源器件密度,但对功率相关产品来说没有必要达到这个密度,因为这种产品中每个IC的有源器件数量通常只有个位数。当然,有多家供应商提供基于GaN的器件总归是件好事——不管是从竞争力、市场增长还是后备或替代来源的前景来说,都会受到设计师和采购部门的欢迎。另外,硅基世界也没有止步不前,仍在持续改进,虽然对功率器件来说可能已经达到了收益递减点。

在任何相对较新的工艺和器件进入多样化市场的时候,供应商的现场应用工程师(FAE)和OEM设计师都会面临一个更大的挑战。每种新工艺及其特殊器件都有已知和未知的特异性以及微妙的二阶和三阶特性;这些都是每个人都必须去发现的“个性化”特质,以避免后面花整晚/漫长的周末时间来解决那些难以捉摸的故障,并防止发生似乎随机的现场问题。

你用过任何GaN功率器件吗?你有可能寻找使用它们吗?你对用非硅工艺进行器件设计或将它们列入你的材料清单是热心、冷淡还是害怕呢?

《电子技术设计》11月刊版权所有,谢绝转载。


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氮化镓? 物联网?

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