無論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、通訊硬件、電動車還是家用電器，提升電源轉(zhuǎn)換能效、提高功率密度水平、延長電池使用時間和加快開關(guān)速度這些日益嚴(yán)格的要求正擺在工程師面前。所有這一切都意味著電子產(chǎn)業(yè)定會變得越來越依賴于新型的功率半導(dǎo)體，采用不再以硅(Si)為基礎(chǔ)的新的工藝技術(shù)。隨著容量將可能達(dá)到前所未有的性能基準(zhǔn)，氮化鎵(GaN)現(xiàn)作為一個新興的工藝技術(shù)，將影響電源系統(tǒng)設(shè)計的未來發(fā)展。

 

過去十年，GaN已在多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，在光電方面它已對高亮發(fā)光二極管(HBLED)的發(fā)展和增殖發(fā)揮重要作用，在無線通訊方面它已被用于高功率射頻(RF)設(shè)備如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)?，F(xiàn)在在電源應(yīng)用中廣泛采用GaN有著巨大的潛力。行業(yè)分析Yole Research預(yù)測：到2020年GaN功率器件業(yè)務(wù)每年當(dāng)值約6億美元。

 

為證實(shí)Yole對市場的評估是正確的，必須達(dá)到這樣一個數(shù)字，未來5年要看到100%的年復(fù)合增長率(CAGR)。然而，在那成為現(xiàn)實(shí)前還有無數(shù)的挑戰(zhàn)有待解決。本文我們將看看采取什么措施以確保GaN的廣泛采用。

 

 

最近有一些動態(tài)令GaN得到比以前更認(rèn)真的審議。電源系統(tǒng)設(shè)計正經(jīng)受更大的空間限制。例如，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，用于便攜產(chǎn)品的充電器的緊湊度正不斷得到精簡。同樣，數(shù)據(jù)中心的機(jī)架正變得越來越擁擠。因此，必須增加功率密度和提升電源轉(zhuǎn)換能效，在不占用太多空間的同時確保其功率IC的散熱機(jī)制。這導(dǎo)致了功率MOSFET的需求增加，以更快的開關(guān)速度工作。

 

目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)絕大多數(shù)依賴于硅基底。硅工藝作為電子業(yè)的基礎(chǔ)已有幾十年，在此期間，雖然進(jìn)行高能效電源轉(zhuǎn)換的方法綽綽有余，但即將不足的時代正迅速逼近。摩爾定律越來越接近其物理極限，將來這一切可真的是預(yù)期的硅性能的不明顯的漸進(jìn)式改善。鑒于我們注定要生活在一個對能源越來越渴求的社會，必須研究可替代的半導(dǎo)體技術(shù)。

圖：在功率密度應(yīng)用中使用GaN的潛在改善

 

 

硅功率器件現(xiàn)正開始達(dá)到其性能改進(jìn)被抑制的階段，不可避免的結(jié)論是來自硅進(jìn)一步支持的技術(shù)演進(jìn)的能力逐漸減弱。現(xiàn)在明確地需要實(shí)質(zhì)上的具有顛覆性的技術(shù)。

 

正如已經(jīng)談到的，功率半導(dǎo)體必須能提供以下性能組合：

 

1. 高電源轉(zhuǎn)換能效

 

2. 高功率密度/緊湊的尺寸

 

3. 快速開關(guān)

 

4. 成本效益

 

根據(jù)IC的特定用途，此列表中的某些屬性將比其它更重要。GaN極其滿足所有上述標(biāo)準(zhǔn)—一些現(xiàn)在就可以做到，另一些在將來也能實(shí)現(xiàn)。

在任何電源系統(tǒng)設(shè)計中，某種程度的電源轉(zhuǎn)換損耗將是固定的，但由于其寬帶隙，GaN明顯比硅表現(xiàn)出更低的損耗，即更好的電源轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)镚aN片可比等效的硅片更小，基于此技術(shù)的器件可被置于尺寸更小的封裝規(guī)格中。由于其高流動性，GaN在用于要求快速開關(guān)的電路中能效極高。圖2顯示了GaN HEMT器件的物理結(jié)構(gòu)和它如何類似于現(xiàn)有的MOSFET技術(shù)。GaN中的側(cè)向電子流同時提供低導(dǎo)通損耗（低導(dǎo)通阻抗）和低開關(guān)損耗。而且，提高的開關(guān)速度也有助于節(jié)省空間，因?yàn)殡娫措娐匪瑹o源元件可以更少，配套的磁性元件中使用的線圈可以更小。此外，GaN提供的更高的電源轉(zhuǎn)換效率意味著更少的散熱量——減小了需要分配給熱管理的空間。

圖：GaN與硅制造工藝之間的相似性

 

 

正如我們已看到的，GaN具有一些關(guān)鍵特性與硅區(qū)別開來，并令它特別適合電源應(yīng)用。然而，到目前為止，GaN作為一個功率器件材料的進(jìn)展緩慢。像過去被開發(fā)的其它半導(dǎo)體技術(shù)一樣，需要花費(fèi)時間來達(dá)到一個成熟狀態(tài)。對任何芯片技術(shù)在整體上同時提供高程度的均勻性和重復(fù)性的能力是至關(guān)重要的，而以前這是GaN的問題點(diǎn)。由于GaN生產(chǎn)的低良率，硅能提供相當(dāng)大的成本優(yōu)勢而蓋過其性能的不足。這令硅在功率半導(dǎo)體生產(chǎn)中維持其主導(dǎo)地位。盡管如此，一直以來關(guān)于GaN的制造工藝正被改善，以呈現(xiàn)更高良率，以及現(xiàn)正被證實(shí)的更高的可靠性。

 

GaN處于有利地位，可從已為硅器件到位的制造設(shè)施中受益。只需使用相同的設(shè)備，添加幾個簡單的工藝步驟，就可應(yīng)用于現(xiàn)有的6英寸和8英寸的CMOS硅制造工藝，而且，一旦容量需求成為必要，可擴(kuò)展至12英寸工藝。

 

隨著標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅制造轉(zhuǎn)為更大尺寸的晶圓，對傳統(tǒng)的最初用于硅器件的制造設(shè)施繼續(xù)工作是一個真正的機(jī)會（否則會變得多余）。這意味著舊的芯片生產(chǎn)基地通過切換輸出氮化鎵而將獲得第二次新生。

 

通過這樣的方式降低成本，新的渠道將開始為GaN打開。正如60年代末和70年代初為硅基IC所做的那樣，市場將滾雪球——GaN的需求增加將導(dǎo)致更多的產(chǎn)量和更低的單位成本。

 

未來幾年，GaN將不再被看作小生態(tài)半導(dǎo)體技術(shù)，僅僅簡單地在較小的制造場地和實(shí)驗(yàn)室制造，而是將成為商業(yè)可行的解決方案，可通過大規(guī)模方案生產(chǎn)器件從而能達(dá)到與硅一致的價位。自去年9月以來，安森美半導(dǎo)體一直與Transphorm合作，攜手將GaN技術(shù)引入市場。通過結(jié)合Transphorm無與倫比的GaN專業(yè)知識和安森美半導(dǎo)體的專長、寬廣的知識產(chǎn)權(quán)陣容及量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，兩家公司將能將功率器件引入市場實(shí)現(xiàn)下一代應(yīng)用。

 

總之，我們的電力需求超越了長期的半導(dǎo)體技術(shù)，而且必須做些什么來解決這個問題。當(dāng)應(yīng)用于電源系統(tǒng)設(shè)計，GaN有能力使性能發(fā)生巨大的改善而超越硅器件可實(shí)現(xiàn)的性能。因此它必定在電力電子的新時代發(fā)揮巨大的作用——向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開關(guān)速度的器件。得益于技術(shù)的重大改進(jìn)，將有可能降低GaN生產(chǎn)的費(fèi)用。因此我們現(xiàn)在處于這樣一個階段，GaN終于可被看作一種準(zhǔn)備量產(chǎn)的工藝技術(shù)。