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無(wú)論是消費電子產(chǎn)品、通訊硬件、電動(dòng)車(chē)還是家用電器，提升電源轉換能效、提高功率密度水平、延長(cháng)電池使用時(shí)間和加快開(kāi)關(guān)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(zhù)電子產(chǎn)業(yè)定會(huì )變得越來(lái)越依賴(lài)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(shù)。隨著(zhù)容量將可能達到前所未有的性能基準，氮化鎵(GaN)現作為一個(gè)新興的工藝技術(shù)，將影響電源系統設計的未來(lái)發(fā)展。 過(guò)去十年，GaN已在多個(gè)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(wú)線(xiàn)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)�，F在在電源應用中廣泛采用GaN有著(zhù)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(wù)每年當值約6億美元。 為證實(shí)Yole對市場(chǎng)的評估是正確的，必須達到這樣一個(gè)數字，未來(lái)5年要看到100%的年復合增長(cháng)率(CAGR)。然而，在那成為現實(shí)前還有無(wú)數的挑戰有待解決。本文我們將看看采取什么措施以確保GaN的廣泛采用。 現在關(guān)于GaN的所有興趣從何而來(lái)？ 最近有一些動(dòng)態(tài)令GaN得到比以前更認真的審議。電源系統設計正經(jīng)受更大的空間限制。例如，在消費電子領(lǐng)域，用于便攜產(chǎn)品的充電器的緊湊度正不斷得到精簡(jiǎn)。同樣，數據中心的機架正變得越來(lái)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(shí)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(kāi)關(guān)速度工作。 目前的半導體工藝技術(shù)絕大多數依賴(lài)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(jìn)行高能效電源轉換的方法綽綽有余，但即將不足的時(shí)代正迅速逼近。摩爾定律越來(lái)越接近其物理極限，將來(lái)這一切可真的是預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(gè)對能源越來(lái)越渴求的社會(huì )，必須研究可替代的半導體技術(shù)。 
圖：在功率密度應用中使用GaN的潛在改善 那么使用GaN有什么好處？ 硅功率器件現正開(kāi)始達到其性能改進(jìn)被抑制的階段，不可避免的結論是來(lái)自硅進(jìn)一步支持的技術(shù)演進(jìn)的能力逐漸減弱�，F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(kāi)關(guān) 4. 成本效益 根據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(mǎn)足所有上述標準—一些現在就可以做到，另一些在將來(lái)也能實(shí)現。 在任何電源系統設計中，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(shù)的器件可被置于尺寸更小的封裝規格中。由于其高流動(dòng)性，GaN在用于要求快速開(kāi)關(guān)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(lèi)似于現有的MOSFET技術(shù)。GaN中的側向電子流同時(shí)提供低導通損耗（低導通阻抗）和低開(kāi)關(guān)損耗。而且，提高的開(kāi)關(guān)速度也有助于節省空間，因為電源電路所含無(wú)源元件可以更少，配套的磁性元件中使用的線(xiàn)圈可以更小。此外，GaN提供的更高的電源轉換效率意味著(zhù)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 為什么GaN直到現在才推行？ 正如我們已看到的，GaN具有一些關(guān)鍵特性與硅區別開(kāi)來(lái)，并令它特別適合電源應用。然而，到目前為止，GaN作為一個(gè)功率器件材料的進(jìn)展緩慢。像過(guò)去被開(kāi)發(fā)的其它半導體技術(shù)一樣，需要花費時(shí)間來(lái)達到一個(gè)成熟狀態(tài)。對任何芯片技術(shù)在整體上同時(shí)提供高程度的均勻性和重復性的能力是至關(guān)重要的，而以前這是GaN的問(wèn)題點(diǎn)。由于GaN生產(chǎn)的低良率，硅能提供相當大的成本優(yōu)勢而蓋過(guò)其性能的不足。這令硅在功率半導體生產(chǎn)中維持其主導地位。盡管如此，一直以來(lái)關(guān)于GaN的制造工藝正被改善，以呈現更高良率，以及現正被證實(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施中受益。只需使用相同的設備，添加幾個(gè)簡(jiǎn)單的工藝步驟，就可應用于現有的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(zhù)標準的CMOS硅制造轉為更大尺寸的晶圓，對傳統的最初用于硅器件的制造設施繼續工作是一個(gè)真正的機會(huì )（否則會(huì )變得多余）。這意味著(zhù)舊的芯片生產(chǎn)基地通過(guò)切換輸出氮化鎵而將獲得第二次新生。 通過(guò)這樣的方式降低成本，新的渠道將開(kāi)始為GaN打開(kāi)。正如60年代末和70年代初為硅基IC所做的那樣，市場(chǎng)將滾雪球——GaN的需求增加將導致更多的產(chǎn)量和更低的單位成本。 未來(lái)幾年，GaN將不再被看作小生態(tài)半導體技術(shù)，僅僅簡(jiǎn)單地在較小的制造場(chǎng)地和實(shí)驗室制造，而是將成為商業(yè)可行的解決方案，可通過(guò)大規模方案生產(chǎn)器件從而能達到與硅一致的價(jià)位。自去年9月以來(lái)，安森美半導體一直與Transphorm合作，攜手將GaN技術(shù)引入市場(chǎng)。通過(guò)結合Transphorm無(wú)與倫比的GaN專(zhuān)業(yè)知識和安森美半導體的專(zhuān)長(cháng)、寬廣的知識產(chǎn)權陣容及量產(chǎn)經(jīng)驗，兩家公司將能將功率器件引入市場(chǎng)實(shí)現下一代應用。 總之，我們的電力需求超越了長(cháng)期的半導體技術(shù)，而且必須做些什么來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。當應用于電源系統設計，GaN有能力使性能發(fā)生巨大的改善而超越硅器件可實(shí)現的性能。因此它必定在電力電子的新時(shí)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(kāi)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)的費用。因此我們現在處于這樣一個(gè)階段，GaN終于可被看作一種準備量產(chǎn)的工藝技術(shù)。 |
