GaN超越硅的优势正变得越来越明显吗?

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无论是消费电子产 品、通讯硬件、电动车还是家用电器,提升电源转换能效、提高功率密度水平、延长电池使用时间和加快开关速度这些日益严格的要求正摆在工程师面前。所有这一 切都意味着电子产业定会变得越来越依赖于新型的功率半导体,采用不再以硅(Si)为基础的新的工艺技术。随着容量将可能达到前所未有的性能基准,氮化镓 (GaN)现作为一个新兴的工艺技术,将影响电源系统设计的未来发展。

过去十年,GaN已在多个行业领域产生了重大影响,在光电方面它已对高亮发光二极管(HBLED)的发展和增殖发挥重要作用,在无线通讯方面它已被用于高功率射频(RF)设备如高电子迁移率晶体管(HEMT)和单片微波集成电路(MMIC)。现在在电源应用中广泛采用GaN有着巨大的潜力。行业分析Yole Research预测:到2020年GaN功率器件业务每年当值约6亿美元。

为证实Yole对市场的评估是正确的,必须达到这样一个数字,未来5年要看到100%的年复合增长率(CAGR)。然而,在那成为现实前还有无数的挑战有待解决。本文我们将看看采取什么措施以确保GaN的广泛采用。

现在关于GaN的所有兴趣从何而来?

最近有一些动态令GaN得到比以前更认真的审议。电源系统设计正经受更大的空间限制。例如,在消费电子领域,用于便携产品的充电器的紧凑度正不断得到精 简。同样,数据中心的机架正变得越来越拥挤。因此,必须增加功率密度和提升电源转换能效,在不占用太多空间的同时确保其功率IC的散热机制。这导致了功率 MOSFET的需求增加,以更快的开关速度工作。

目前的半导体工艺技术绝大多数依赖于硅基底。硅工艺作为电子业的基础已有几十年,在此 期间,虽然进行高能效电源转换的方法绰绰有余,但即将不足的时代正迅速逼近。摩尔定律越来越接近其物理极限,将来这一切可真的是预期的硅性能的不明显的渐 进式改善。鉴于我们注定要生活在一个对能源越来越渴求的社会,必须研究可替代的半导体技术。

GaN超越硅的优势正变得越来越明显吗?

  图:在功率密度应用中使用GaN的潜在改善

硅功率器件现正开始达到其性能改进被抑制的阶段,不可避免的结论是来自硅进一步支持的技术演进的能力逐渐减弱。现在明确地需要实质上的具有颠覆性的技术。

正如已经谈到的,功率半导体必须能提供以下性能组合:

1. 高电源转换能效

2. 高功率密度/紧凑的尺寸

3. 快速开关

4. 成本效益

根据IC的特定用途,此列表中的某些属性将比其它更重要。GaN极其满足所有上述标准—一些现在就可以做到,另一些在将来也能实现。

在任何电源系统设计中,某种程度的电源转换损耗将是固定的,但由于其宽带隙,GaN明显比硅表现出更低的损耗,即更好的电源转换效率。因为GaN片可比 等效的硅片更小,基于此技术的器件可被置于尺寸更小的封装规格中。由于其高流动性,GaN在用于要求快速开关的电路中能效极高。图2显示了GaN HEMT器件的物理结构和它如何类似于现有的MOSFET技术。GaN中的侧向电子流同时提供低导通损耗(低导通阻抗)和低开关损耗。而且,提高的开关速 度也有助于节省空间,因为电源电路所含无源元件可以更少,配套的磁性元件中使用的线圈可以更小。此外,GaN提供的更高的电源转换效率意味着更少的散热量 ——减小了需要分配给热管理的空间。

GaN超越硅的优势正变得越来越明显吗?

  图:GaN与硅制造工艺之间的相似性

为什么GaN直到现在才推行?

正如我们已看到的,GaN具有一些关键特性与硅区别开来,并令它特别适合电源应用。然而,到目前为止,GaN作为一个功率器件材 料的进展缓慢。像过去被开发的其它半导体技术一样,需要花费时间来达到一个成熟状态。对任何芯片技术在整体上同时提供高程度的均匀性和重复性的能力是至关 重要的,而以前这是GaN的问题点。由于GaN生产的低良率,硅能提供相当大的成本优势而盖过其性能的不足。这令硅在功率半导体生产中维持其主导地位。尽 管如此,一直以来关于GaN的制造工艺正被改善,以呈现更高良率,以及现正被证实的更高的可靠性。

GaN处于有利地位,可从已为硅器件到位的制造设施中受益。只需使用相同的设备,添加几个简单的工艺步骤,就可应用于现有的6英寸和8英寸的CMOS硅制造工艺,而且,一旦容量需求成为必要,可扩展至12英寸工艺。

随着标准的CMOS硅制造转为更大尺寸的晶圆,对传统的最初用于硅器件的制造设施继续工作是一个真正的机会(否则会变得多余)。这意味着旧的芯片生产基地通过切换输出氮化镓而将获得第二次新生。

通过这样的方式降低成本,新的渠道将开始为GaN打开。正如60年代末和70年代初为硅基IC所做的那样,市场将滚雪球——GaN的需求增加将导致更多的产量和更低的单位成本。

未来几年,GaN将不再被看作小生态半导体技术,仅仅简单地在较小的制造场地和实验室制造,而是将成为商业可行的解决方案,可通过大规模方案生产器件从 而能达到与硅一致的价位。自去年9月以来,安森美半导体一直与Transphorm合作,携手将GaN技术引入市场。通过结合Transphorm无与伦 比的GaN专业知识和安森美半导体的专长、宽广的知识产权阵容及量产经验,两家公司将能将功率器件引入市场实现下一代应用。

总之,我们 的电力需求超越了长期的半导体技术,而且必须做些什么来解决这个问题。当应用于电源系统设计,GaN有能力使性能发生巨大的改善而超越硅器件可实现的性 能。因此它必定在电力电子的新时代发挥巨大的作用——向工程师提供更高能效、更小外形因素和更快开关速度的器件。得益于技术的重大改进,将有可能降低 GaN生产的费用。因此我们现在处于这样一个阶段,GaN终于可被看作一种准备量产的工艺技术。

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