國際整流器(IR)的科學家預測既有的技術樣式須要有所變革，因此開發突破性的氮化鎵(GaN)功率元件技術平台，該技術保證其性能指數(FOM)較現今最先進的矽金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)至少優越十倍，能為商業應用的GaN功率元件將帶來嶄新的解決方案，使具備高成本效益的高密度、高效率功率轉換技術出現革命。 GaN功率元件嶄露鋒芒
功率MOSFET還未面世的時候，雙極性電晶體是重要的功率電子產品，而線性供電則支配著電源世界。然而，當30年前商用矽六角形金氧半場效電晶體(HEXFET)(當中包括已經成為IR商標的HEXFET)推出市場，功率電子便掀起新浪潮。功率MOSFET促使市場迅速接受開關模式電源，使其可以變得更細小、更輕巧與更有效率，此後，MOSFET就成為許多應用必然選擇的功率元件。
MOSFET在這幾10年來不斷演變(圖1)，由平面HEXFET到TrenchFET和超結FET，矽MOSFET在FOM方面有顯著的改進，使這種元件能夠適用於不同的應用。
 |
| 圖1 由HEXFET到TrenchFET及SJ FET，矽功率MOSFET已經歷30年的演變，並在電源市場廣泛應用，然矽功率MOSFET現已接近成熟期。 |
但近來MOSFET開始邁入性能的停滯期，從圖1可見，矽功率電晶體已經接近成熟階段，即使竭盡全力期望矽功率FET再有進步，結果也只會以更多的成本得到更少的回報。
為了要滿足市場對功率MOSFET愈來愈高的需求，產業界已經研發出一款革命性的GaN功率元件技術平台GaNpowIR，其保證FOM能比現在最先進的矽MOSFET優異十倍，並在眾多不同的應用皆有龐大的潛能。與30多年前矽功率MOSFET情況相同，產業界的專有矽基板GaN晶圓製程和元件製造技術預期具備成本效益的高頻率、高密度功率轉換解決方案將會締造新世代。
GaN技術平台實現量產化
功率應用要利用GaN技術，就要選擇一種基板來形成GaN層。大的GaN、碳化矽(SiC)和藍寶石晶圓或多或少都有成本、供應量及尺寸的缺點。過去就算矽是最具吸引力的低成本基板物料，在實際生產時仍有不少問題，包括會形成瑕疵及變形。由於晶格常數、基板與晶圓膜之間的熱膨脹係數出現固有的錯配，因此要完成可靠且有高品質的矽基板GaN異質晶圓製程程序並不容易。工程人員投入大量的精力來創建可解決這些問題的控制程序和方法，最終開發出一種不良率很低，同時一致性及元件可靠性很高的晶圓膜。產業界開發的GaNpowIR平台便在低成本的150毫米直徑矽晶圓上沉積大量的GaN物料。
與晶圓製程相關的製造成本是GaN技術商業化的另一個潛在障礙。早期的GaN製造均須經歷昂貴的程序，如沉積金，抑或不能進行自動化的運作程序。相反的，GaNpowIR原本即是在標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)生產線上製造而設計，此不但可降低成本，還確保製造程序能夠配合大量生產。
GaNpowIR除了藉著為商業應用量產來確保性價比，此技術平台也是為迎合業界的元件品質和耐用性標準來設計。有關的GaN功率元件不斷經過多種內部可靠性測試，以勾畫出其故障模式，另外還加上傳統的產品品質認可測試，如此便可確保的GaNpowIR元件能夠在它們預定的工作壽命期間可靠運作。
相關產品的首個批量版本計畫在2009年年終推出，而首款上市的型號將會是適用於由典型12伏特降壓到1伏特以下的應用，採用30伏特額定值的整合式封裝直流對直流(DC-DC)功率級GaN晶體管。擁有更高電壓額定值的元件將會在2010年及後續推出。
基本的矽基板GaN功率元件是一種高電子遷移率晶體管(HEMT)(圖2)，是由優質GaN表面的氮化鋁鎵(A1GaN)薄層親密活動，自發而成的二維電子氣(2DEG)。由於此種元件結構是基於配備高電子遷移率通道的HEMT，不用外施電壓也能傳導，所以GaN HEMT一般都是保持在啟動狀態。
 |
| 圖2 矽基板GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結構的早期橫切面 |
矽基板GaN具低導通電阻優勢
GaN功率HEMT結合高傳導電子密度、高電子遷移率和更高帶隙，使其可在指定的反向耐壓下，顯著降低元件的導通電阻RDS(on)。圖3便顯示在不同額定電壓下所計算出來的Si、SiC和GaN物理極限曲線，由此可見，GaN的導通電阻比Si和SiC要少十倍以上。經過30年的發展，矽MOSFET已經接近甚至到達物理極限，僅如超結FET或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)為較低FOM折衷開關性能及程序複雜性(成本)的元件例外。近來SiC功率FET的性能數據已在文獻上公開，它們看來能夠提供較矽更好的導通電阻，但仍有進一步改善空間。GaN FET公開的性能表現同樣較矽為佳，但未來在此種物料到達極限之前，還可有長足進步。若生產成本能夠低到一定水平，具吸引力的性價比便將推動GaN取代矽功率MOSFET，此正是GaNpowIR平台開發理由，現今大可按相關程度為個別應用選出數個性能指數作為衡量性能憑證。
 |
| 圖3 目前GaN FET其性能已經超越矽元件，同時隨著GaN FET進一步發展，兩者的距離將會愈來愈遠。 |
矽基板GaN元件兼顧效能/密度/成本
簡單的功率級價值主張可定義為效率×密度/成本，此數式包含三個成分係數之間著名的必定權衡關係，同時不論任何時間，此一價值主張大多數是受性能表現最佳的功率元件所推動。因此，像GaNpowIR這些新元件在R×柵極電荷(Qg)方面雖然有大幅的改善，但成本只會有略微增加，結果帶來革命性的效率、密度和成本水平，又或者是三者之間的不同權衡。以下便是一些GaNpowIR使密度和效率有所改進的例子。
如前所述，GaN功率元件能夠實現Qg的顯著下降，所以元件的開關FOM RDS(on)×Qg也較矽元件低很多。圖4展示的模擬實驗結果推斷低電壓(30伏特)GaN功率元件的R×Qg FOM將不斷改進。根據雛型產品的數據及計畫中的改善進程，第一代矽基板GaN HEMT的RQ FOM將比目前最先進的矽MOSFET優異33%。
 |
| 圖4 持續的改進保證在GaNpowIR平台推出後5年內，30伏特矽基板功率元件的Rds(on)×Qg FOM將會減少十倍。 |
有關的FOM數據預計至2014年更將低於5mΩ-nC，比新一代MOSFET先進十倍。
此對某一個應用的密度有甚麼影響？圖5展示在為伺服器進行微處理器穩壓的情況下，一個與GaN改進時程(圖4)並行的應用改善藍圖。圖中顯示相關解決方案的占位面積和效率，該例子能夠提供100安培的電流，電壓則由12伏特轉換到1.2伏特。在2007年，當時最佳的矽解決方案可以1.4平方吋的體積提供85%的效率。2009年的GaNpowIR功率級將能夠把頻率提升到5MHz，但同時把效率保持在相同水平。這表示因為解決方案能在更高的頻率下工作，所以能夠減少被動元件的數目，並採用更小巧的電感器，從而使解決方案的體積縮小一半。至2011年，預期中的GaN技術改善將使解決方案的體積進一步縮小，但效率就可以保持。由2012年開始，GaN技術的進步將使解決方案可採用更高的頻率，足夠讓它移近負載，至2014年，還可與微處理器和降壓轉換器協同封裝。隨著調節器的位置更加接近負載，系統寄生損耗(電感器、負載線等)顯著下降。雖然轉換器效率維時在85%，整體的系統效率卻因為寄生損耗減少而增加(圖5)。總的來說，GaNpowIR的改進預料可讓整體解決方案的體積縮減差不多十倍。
 |
| 圖5 對多相100安培、12伏特到1.2伏特DC-DC轉換器的體積和功率轉換效率之影響。 |
為了測試在毋須影響效率的情況下功率轉換密度的新水平，產業界已開發出一個配備GaN功率級的5MHz負載點(POL)轉換器雛型，此模組乃為12安培負載電流、12伏特輸入及1.8伏特(典型)輸出而設計。這個以5MHz開關的GaN POL模組的效率比現在典型的商用解決方案還要高，但體積就只有後者的三分之二(圖6)，此可全面運作的GaN 5MHz模組面積只有7毫米×9毫米，卻在10安培負載下展現出86.5%效率。
 |
| 圖6 IR配備GaN功率級，在5MHz下運作的10安培 POL轉換器雛型，能提供與1MHz開關的矽解決方案相似的效率，但體積則小三分之一。 |
如前所述，GaNpowIR使功率轉換效率到達新水平。圖7便顯示出GaN與現在的矽解決方案比較下，對12伏特：1.2伏特降壓轉換率的改善程度。對單相降壓轉換器而言，圖4展示的GaNpowIR R×Qg改進藍圖代表在2009年，新技術將會比今天典型的矽解決方案在尖峰效率方面有超過3%的改善。按預計的改進進程，GaNpowIR將在5年內提供94.5%效率，也就是較現存解決方案有5%的改善。在企業電源應用方面，此代表系統運作成本可大幅降低(因為減少電力耗用和散熱負載)，同時碳排放量也會顯著減少。
 |
| 圖7 GaNpowIR為同步降壓穩壓器應用，如筆記簿型電腦、伺服器、DDR多種負載點轉換器，大幅提高效率，從而減少電力成本，並有助保護地球。 |
GaNpowIR並將為更高電壓下的功率轉換帶來革命，把實際量度的數據與預測的結合來分析，採用5毫米×6毫米封裝、200伏特額定值的GaN元件，其Rds(on)初期將比矽FET低最多三倍，不過持續的改進應該使其性能在5年內有十倍的改善。如圖8所示，這些結果暗示至2014年，採用5毫米×6毫米封裝的200伏特GaN開關，其Rds(on)將低於5毫歐姆，而現有相同限制的矽功率MOSFET，Rds(on)則為50毫歐姆。
 |
| 圖8 至2014年，200伏特矽基板GaN HEMT的RDS(on)將會低於5毫歐姆，比現在的矽MOSFET優越十倍。 |
IR在更高的電壓下也展示GaN整流器在反向恢復行為方面可與SiC匹敵。圖9便顯示GaN及SiC二極管的低反向恢復特性(Irr)是一樣的，且兩者都比最先進的600伏特超高速矽二極管要低很多。因為沒有少數載子，所以Irr非常重要。結果GaN快速且寧靜的開關性能，大幅減少或免除了原本的濾波電路需求。由於在GaNpowIR平台上，矽基板GaN擁有低成本，因此GaN二極管的生產成本可較SiC二極管低。
 |
| 圖9 GaN與SiC二極管的低反向恢復特性是一樣的，但兩者都遠比最先進的矽二極管為佳。 |
GaN功率FET方案 FOM迭有進展
現在的GaN功率FET，包括那些由IR的GaNpowIR平台所生產的，其性能已經比矽解決方案更好，改善程度甚至遠遠超過原先預期的，情況就如在上世紀80和90年代的矽MOSFET一樣。結果，新技術顯著提高功率轉換密度、效率及成本效益的可達到水平。GaNpowIR平台是為改進商業化而開發，從而提供性能和成本效益均超越現有水平的GaN功率轉換解決方案，帶來高品質、可靠性和適當的優勢。有關方面已開發雛型產品來展示早期GaN元件的能力。規畫改進藍圖預期主要的FOM將有十倍的改善。首款整合式DC-DC功率級計畫在2009年年終推出。
資料來源：新電子