[分享] GaN及应用理解

GaN 技术不仅在功率和射频电子领域获得了广泛关注，而且还在迅速扩展到其他应用领域，包括数字和量子计算电子产品。本文概述了未来的 GaN 器件技术和先进的建模方法，这些方法可以在性能和可靠性方面突破这些应用的界限。虽然 GaN 功率器件最近已在 15-900 V 类别中商业化，但新的 GaN 器件对于探索更高电压和超低压功率应用来说是非常可取的。进入射频领域，超高频 GaN 器件被用于实现数字化功率放大器电路，并且可以期待使用硬件-软件协同设计方法的进一步发展。即将到来的是 GaN CMOS 技术，实现具有集成数字、电源和射频电子技术的全 GaN 平台的关键缺失部分。尽管目前是一个挑战，但高性能 p 型 GaN 技术对于实现高性能 GaN CMOS 电路至关重要。由于其优异的传输特性和通过极化掺杂产生自由载流子的能力，GaN有望成为超低温和量子计算电子学的重要技术。最后，鉴于新设备和电路的硬件原型制作成本不断增加，预计未来的趋势是使用高保真设备模型和数据驱动的建模方法进行技术-电路协同设计。在这方面，物理启发、数学稳健、计算量少和预测建模方法是必不可少的。

GaN 器件作为一种在电力电子应用中展示出众多优势的技术，越来越得到更广泛的认可，射频，最近在数字和超高温和超低温电子领域。GaN 技术的一个主要优势在于其在极高和极低温度环境中运行的独特能力。由于其独特的材料属性，包括宽带隙和出色的传输参数，GaN 可以满足各种工业应用的高温、高频和高功率需求5,6包括深井钻探、汽车和航空航天。同时，基于 GaN 的器件可以在与超导和量子计算应用相关的极低温度环境中运行。由于其极化诱导掺杂，GaN 可以克服其他技术（如掺杂硅）的载流子冻结挑战。

功率半导体行业专注于广泛的应用领域，从照明和电网到汽车等。目前，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 产品已商业化，可在 15-650 V 范围内运行。与 Si 相比，GaN HEMT 提供更高的开关频率，因此被广泛用于高速无线充电和电气化运输。原生衬底上的垂直 GaN 功率器件已接近商业化，10,11而在外国衬底上制造的垂直结构，如低成本硅、蓝宝石和工程衬底，也正在研究中。除了高压产品，GaN 技术还为超低压产品（例如 15 V 以下）提供了独特的机会。基于超结概念的新一代 GaN 器件在功率应用中显示出巨大的优势。

目前，RF 是 GaN 技术的下一个最著名的应用。与基于传统技术的功率放大器相比，基于 GaN 的功率放大器 (PA) 可提供显着增强的射频性能（即功率密度和带宽）。为了进一步提高用于毫米波操作的 PA 效率和带宽，本文讨论了 PA 的数字化以及设备和电路级别的软硬件协同设计。在器件层面，与横向结构相比，新型外延异质结构和架构，例如利用从 GaN 电力电子应用中获得的知识的垂直器件设计，可以提供更好的热分布、更高的击穿电压和功率密度。我们还简要讨论了 3D 电子气梯度通道器件等创新，FinFET 技术，和数字 GaN CMOS 技术14以提高射频线性度。

对于数字和超低温应用，与硅和 III-V 技术相比，GaN 具有显着优势。GaN 的宽带隙抑制了带间隧穿和栅极引起的漏极泄漏，从而降低了静态功耗。然而，仍有许多挑战需要解决，其中之一是缺乏高性能 p-FET GaN，这是实际实现 CMOS 电路的必要技术。另一个挑战与 GaN-on-Si 晶圆的高缺陷密度有关，但工程基板有望产生更好的结果。

量子计算电子产品是 GaN 技术应用的下一个前沿。量子比特管理和相关组件的进展有望实现大规模硬件集成或/和“片上量子计算”的潜力。我们看到了令人兴奋的低温 GaN CMOS 电子学研究新途径，用于量子计算中的控制和读出操作，以及在 III 族氮化物技术中使用氮空位 (NV) 中心作为稳健的量子比特。

本文最后讨论了 GaN 器件的建模，强调建模可以作为一种工具来补充性能和可靠性研究中的传统实验方法。鉴于 GaN 器件通常受到退化机制的限制，尤其是由陷阱和机械应力和热应力引入的退化机制，因此需要开发将可靠性物理与载流子动力学相结合的建模框架。此外，必须研发与电路兼容的紧凑型器件模型和工艺设计套件，以实现材料-器件-电路-软件的协同设计和协同优化，并实现不同 GaN 技术的交叉融合。