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

 

過去十年，GaN已在多個行業(yè)領域產生了重大影響，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)設備如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)。現(xiàn)在在電源應用中廣泛采用GaN有著巨大的潛力。行業(yè)分析Yole Research預測：到2020年GaN功率器件業(yè)務每年當值約6億美元。

 

為證實Yole對市場的評估是正確的，必須達到這樣一個數(shù)字，未來5年要看到100%的年復合增長率(CAGR)。然而，在那成為現(xiàn)實前還有無數(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得到比以前更認真的審議。電源系統(tǒng)設計正經受更大的空間限制。例如，在消費電子領域，用于便攜產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換能效，在不占用太多空間的同時確保其功率IC的散熱機制。這導致了功率MOSFET的需求增加，以更快的開關速度工作。

 

目前的半導體工藝技術絕大多數(shù)依賴于硅基底。硅工藝作為電子業(yè)的基礎已有幾十年，在此期間，雖然進行高能效電源轉換的方法綽綽有余，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期的硅性能的不明顯的漸進式改善。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體技術。

圖：在功率密度應用中使用GaN的潛在改善

 

 

硅功率器件現(xiàn)正開始達到其性能改進被抑制的階段，不可避免的結論是來自硅進一步支持的技術演進的能力逐漸減弱?，F(xiàn)在明確地需要實質上的具有顛覆性的技術。

 

正如已經談到的，功率半導體必須能提供以下性能組合：

 

1. 高電源轉換能效

 

2. 高功率密度/緊湊的尺寸

 

3. 快速開關

 

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準—一些現(xiàn)在就可以做到，另一些在將來也能實現(xiàn)。

在任何電源系統(tǒng)設計中，某種程度的電源轉換損耗將是固定的，但由于其寬帶隙，GaN明顯比硅表現(xiàn)出更低的損耗，即更好的電源轉換效率。因為GaN片可比等效的硅片更小，基于此技術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的電路中能效極高。圖2顯示了GaN HEMT器件的物理結構和它如何類似于現(xiàn)有的MOSFET技術。GaN中的側向電子流同時提供低導通損耗（低導通阻抗）和低開關損耗。而且，提高的開關速度也有助于節(jié)省空間，因為電源電路所含無源元件可以更少，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具有一些關鍵特性與硅區(qū)別開來，并令它特別適合電源應用。然而，到目前為止，GaN作為一個功率器件材料的進展緩慢。像過去被開發(fā)的其它半導體技術一樣，需要花費時間來達到一個成熟狀態(tài)。對任何芯片技術在整體上同時提供高程度的均勻性和重復性的能力是至關重要的，而以前這是GaN的問題點。由于GaN生產的低良率，硅能提供相當大的成本優(yōu)勢而蓋過其性能的不足。這令硅在功率半導體生產中維持其主導地位。盡管如此，一直以來關于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施中受益。只需使用相同的設備，添加幾個簡單的工藝步驟，就可應用于現(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，可擴展至12英寸工藝。

 

隨著標準的CMOS硅制造轉為更大尺寸的晶圓，對傳統(tǒng)的最初用于硅器件的制造設施繼續(xù)工作是一個真正的機會（否則會變得多余）。這意味著舊的芯片生產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的需求增加將導致更多的產量和更低的單位成本。

 

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

 

總之，我們的電力需求超越了長期的半導體技術，而且必須做些什么來解決這個問題。當應用于電源系統(tǒng)設計，GaN有能力使性能發(fā)生巨大的改善而超越硅器件可實現(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速度的器件。得益于技術的重大改進，將有可能降低GaN生產的費用。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備量產的工藝技術。