5G、6G、衛(wèi)星通信、微波雷達(dá)將帶來(lái)半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件。與Si基半導(dǎo)體相比，作為第三代半導(dǎo)體的代表，GaN具有更高電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯。正是這一優(yōu)勢(shì)，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料和器件因優(yōu)良的高溫高壓及高頻特性，被認(rèn)為是電力電子和微波射頻技術(shù)的核心。

        隨著GaN技術(shù)的日趨成熟，國(guó)外開(kāi)始將GaN功率器件向太空應(yīng)用擴(kuò)展，充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的GaN器件的固有優(yōu)勢(shì)，制成重量更輕、功能更強(qiáng)大的太空應(yīng)用的電子設(shè)備。根據(jù)Yole Development 的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2020年全球GaN功率市場(chǎng)規(guī)模約為4600萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2026年可達(dá)11億美元，2020-2026年CAGR有望達(dá)到70%。從國(guó)內(nèi)看，GaN是目前能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率的代表性器件，是支撐“新基建"建設(shè)的關(guān)鍵核心部件，有助于“雙碳"目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，在5G基站、新能源充電樁等新基建代表中均有所應(yīng)用。隨著國(guó)家政策的推動(dòng)和市場(chǎng)的需求，GaN器件在“快充"場(chǎng)景領(lǐng)下，有望隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和消費(fèi)電子巨大的存量市場(chǎng)而不斷破圈。未來(lái)，隨著新基建、新能源、新消費(fèi)等領(lǐng)域的持續(xù)推進(jìn)，GaN器件在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用必將呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

圖：不同材料半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

圖：不同種類(lèi)半導(dǎo)體材料特性對(duì)比

        典型的GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)如下圖所示，從上往下依次分別為：柵極、源極、漏J端子、介電層、勢(shì)壘層、緩沖層、以及襯底，并在AlGaN / GaN的接觸面形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。由于AlGaN材料具有比GaN材料更寬的帶隙，在到達(dá)平衡時(shí)，異質(zhì)結(jié)界面交界處能帶發(fā)生彎曲，造成導(dǎo)帶和價(jià)帶的不連續(xù)，并形成一個(gè)三角形的勢(shì)阱。大量的電子積聚在三角形勢(shì)阱中，難以逾越至勢(shì)阱外，電子的橫向運(yùn)動(dòng)被限制在這個(gè)界面的薄層中，這個(gè)薄層被稱(chēng)之為二維電子氣(2DEG)。

        當(dāng)在器件的漏、源兩端施加電壓VDS，溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向電場(chǎng)。在橫向電場(chǎng)作用下，二維電子氣沿異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行傳輸，形成輸出電流IDS。將柵極與AlGaN勢(shì)壘層進(jìn)行肖特基接觸，通過(guò)施加不同大小的柵極電壓VGS，來(lái)控制AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中勢(shì)阱的深度，改變溝道中二維電子氣密度，從而控制溝道內(nèi)的漏極輸出電流開(kāi)啟與關(guān)斷。二維電子氣在漏、源極施加電壓時(shí)可以有效地傳導(dǎo)電子，具有很高的電子遷移率和導(dǎo)電性，這是GaN器件能夠具有*性能的基礎(chǔ)。

圖：氮化鎵器件結(jié)構(gòu)

圖：氮化鎵射頻器件外觀(來(lái)源：qorvo)

        在射頻功放系統(tǒng)中，功率開(kāi)關(guān)器件往往需要耐受長(zhǎng)時(shí)間高壓應(yīng)力，對(duì)于GaN HEMT而言其優(yōu)異的耐高壓能力和極快的開(kāi)關(guān)速度可以將同等電壓級(jí)別的電源系統(tǒng)推向更高的頻率。但是在高壓應(yīng)用下一個(gè)嚴(yán)重限制GaN HEMT性能的問(wèn)題就是電流崩塌現(xiàn)象(Current Collapse)。電流崩塌又稱(chēng)作動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化，即器件直流測(cè)試時(shí)，受到強(qiáng)電場(chǎng)的反復(fù)沖擊后，飽和電流與最大跨導(dǎo)都呈現(xiàn)下降，閾值電壓和導(dǎo)通電阻出現(xiàn)上升的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此時(shí)，需采用脈沖測(cè)試的方式，以獲取器件在脈沖工作模式下的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。科研層面，也在驗(yàn)證脈寬對(duì)電流輸出能力的影響，脈寬測(cè)試范圍覆蓋0.5μs~5ms級(jí)別，10%占空比。

（圖片來(lái)源：《AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)特性與可靠性研究》.何江）

        另外，由于GaN HEMT器件高功率密度和比較大的擊穿電場(chǎng)的特性，使得該器件可以在大電流大電場(chǎng)下工作。GaN HEMT工作時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會(huì)在器件內(nèi)部出現(xiàn)“自熱效應(yīng)"。在器件的I-V測(cè)試中，隨著Vds的不斷增大，器件漏源電流Ids也隨之上升，而當(dāng)器件達(dá)到飽和區(qū)時(shí)Ids呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，隨著Vds的增大而不再增加。此時(shí)，隨著Vds的繼續(xù)上升，器件出現(xiàn)嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致飽和電流隨著Vds的上升反而出現(xiàn)下降的情況，在嚴(yán)重的情況下不僅會(huì)使器件性能出現(xiàn)大幅度的下降，還可能導(dǎo)致器件柵極金屬損壞、器件失效等一系列不可逆的問(wèn)題，必須采用脈沖測(cè)試。

（圖片來(lái)源：《高速電子遷移率晶體管器件電流坍塌效應(yīng)與界面熱阻和溫度的研究》.顧江、王強(qiáng)、魯宏）

        GaN HEMT器件性能的評(píng)估，一般包含靜態(tài)參數(shù)測(cè)試（I-V測(cè)試）、頻率特性（小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試）、功率特性（Load-Pull測(cè)試）。靜態(tài)參數(shù)，也被稱(chēng)作直流參數(shù)，是用來(lái)評(píng)估半導(dǎo)體器件性能的基礎(chǔ)測(cè)試，也是器件使用的重要依據(jù)。以閾值電壓Vgs（th）為例，其值的大小對(duì)研發(fā)人員設(shè)計(jì)器件的驅(qū)動(dòng)電路具有重要的指導(dǎo)意義。

        靜態(tài)測(cè)試方法，一般是在器件對(duì)應(yīng)的端子上加載電壓或者電流，并測(cè)試其對(duì)應(yīng)參數(shù)。與Si基器件不同的是，GaN器件的柵極閾值電壓較低，甚至要加載負(fù)壓。常見(jiàn)的靜態(tài)測(cè)試參數(shù)有：閾值電壓、擊穿電壓、漏電流、導(dǎo)通電阻、跨導(dǎo)、電流坍塌效應(yīng)測(cè)試等。

圖：GaN 輸出特性曲線(xiàn)(來(lái)源：Gan systems)

圖：GaN導(dǎo)通電阻曲線(xiàn)(來(lái)源：Gan systems)

        SMU，即源測(cè)量單元，是一種用于半導(dǎo)體材料，以及器件測(cè)試高性能儀表。與傳統(tǒng)的萬(wàn)用表，以及電流源相比，SMU集電壓源、電流源、電壓表、電流表以及電子負(fù)載等多種功能于一體。此外，SMU還具有多量程，四象限，二線(xiàn)制/四線(xiàn)制測(cè)試等多種特性。一直以來(lái)，SMU在半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)流程得到了廣泛應(yīng)用。同樣，對(duì)于氮化鎵的測(cè)試，高性能SMU產(chǎn)品也是不可少的工具。

可少的工具。