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功率技術/新能源  

氮化鎵的時代來臨了嗎?

上網時間: 2015年08月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:氮化鎵  GaN    EV  功率元件 

作者:Tim Kaske,安森美半導體產品行銷經理

無論是消費電子產品、通訊硬體、電動車(EV)或家用電器,工程師正面對嚴格的要求,必須提升電源轉換效能、提高功率密度水準、延長電池使用時間以及加快開關速度。這一切皆意味著電子產業將會變得越來越依賴於新型的功率半導體,採用不再以(Si)為基礎的製程技術。隨著容量可能達到前所未有的性能基準,氮化鎵(GaN)正成為一項新興的製程技術,影響電力電子系統設計的未來發展。

過去十年來,GaN已在多個產業領域發生了重大影響;在光電方面,它對於高亮度發光二極體(HB LED)的發展和量產發揮重要作用。在無線通訊方面,它已被用於如高電子遷移率電晶體(HEMT)和單片微波晶片(MMIC)等高功率射頻(RF)設備。如今在功率應用中,GaN的廣泛採用帶來了巨大潛力。根據Yole Developpement預測:到2020年GaN功率元件業務每年價值約6億美元。

為證實Yole對市場的評估之正確性,要達到這樣一個數字,未來五年須看到100%的年複合成長率(CAGR)。然而,在其成為現實前還有無數的挑戰尚待解決。本文將探討為確保GaN的廣泛採用,應該採取什麼措施。。

對於GaN的所有興趣從何而來?

最近一些業界動態讓GaN得到比以前更認真的看待。電源系統設計正面臨更大的空間限制。例如,在消費電子領域,用於可攜式產品的充電器的緊密度正不斷地精簡中。同樣地,資料中心的機架也變得越來越擁擠。因此,必須增加功率密度和提升電源轉換效能,以便伴隨功率IC的散熱機件不佔用太多空間。這導致了功率MOSFET的需求增加,以便能用更快的開關速度作業。

目前的半導體製程技術絕大多數依賴於矽基底。矽製程作為電子業的基礎已有幾十年。在此期間,雖然進行高效能電源轉換的方法綽綽有餘,但即將不足的情況正迅速逼近;摩爾定律越來越接近其實體極限,將來這一切可預期的是矽性能將會更不明確的漸進式改善。鑒於我們似乎註定要生活在一個對能源越來越渴求的社會,必須進一步研究可替代的半導體技術。


圖1:在功率密度應用中使用GaN的潛在進展

那麼,使用GaN有什麼好處?

矽功率元件現正開始達到一個階段,主要的性能改進將被抑制。從這得出的結論是,矽支援更進一步的技術改進能力正被減弱。現在實際需要的是顛覆性的東西。

正如已被討論的,功率半導體必須能提供一些優勢組合,如高電源轉換效能、高功率密度/緊密的尺寸、快速開關,以及成本效益。

根據IC的特定用途,圖中的某些屬性將比其他更重要。GaN極其適合滿足上述所有標準——其中有些現在就可以達到,而其他在未來也能實現。

在任何電源系統設計中,某種程度的電源轉換損耗是肯定的,但由於寬頻間隙,GaN明顯比矽表現出更低的損耗,這也意謂著更好的電源轉換效能。因為GaN片可比等效的矽片更小,使用此技術的元件可被置於尺寸更小的封裝規格中。由於其高流動性,GaN在用於要求快速開關的電路中效能極高。圖1顯示GaN HEMT元件的實體結構以及它如何相似於現有的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於節省空間,因為電源電路所含被動元件可以更少,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能意味著更少的散熱量—縮小了需要分配給熱管理的空間。


圖2:GaN與矽製造製程之間的相似性

為什麼GaN一直延遲至今?

正如我們已看到的,GaN具有一些和矽有所區別的關鍵功能,令它特別適合功率應用。然而,到目前為止,GaN作為一個功率元件材料的進展緩慢。如同過去開發的其他半導體技術,它已耗時良久才達到一個成熟狀態。對任何晶片技術而言,整體同時提供高程度的均勻度和重複性的能力至關重要,而這以前就是GaN的問題點。由於GaN生產的良率低,矽能提供相當大的成本優勢而蓋過其性能的不足。這讓矽在功率半導體生產中維持其主導地位。儘管如此,一直以來關於GaN的製造製程已有所改進,以呈現更高良率,以及現在證實的更高可靠性。

GaN處於有利地位,可從已為矽元件到位的製造設施中受益。只需使用相同的設備,添加幾個簡單的製程步驟,就可應用於現有的6英吋和8英吋的CMOS矽製程;此外,一旦容量需求成為必要條件時,可擴展至12英吋製程。

隨著標準的CMOS矽製造轉為更大尺寸的晶圓,對最初用於傳統矽元件的製造設施而言是一個繼續工作的機會(否則會變得多餘)。這意味著,舊的晶片生產基地透過轉為出產GaN將可獲得第二次新生。

透過降低成本的方式,新的通道將為GaN開啟。正如1960年代末和1970年代初為矽基IC所做的那樣,市場將出現滾雪球的現象—GaN的需求增加將帶來更多的產量和更低的單位成本。

未來幾年,GaN將不再被看作小型生態的半導體技術—僅僅簡單地在較小的製造廠房和實驗室製造;它即將成為商業可行的解決方案,可透過大規模方案生產元件,從而達到與矽一致的價位。例如,安森美半導體自去年9月以來,一直與Transphorm合作將GaN技術導入市場;透過結合Transphorm的GaN專業和安森美半導體的專長、廣泛的IP陣容與量產經驗,兩家公司可望將功率元件導入市場,實現下一代的應用。

總而言之,我們的電力需求超過了長期的半導體技術,必須有所作為才能解決此問題。當應用於電源系統設計,GaN有能力使性能發生巨大改善、並超越矽元件可實現的性能。因此它必定在電力電子的新時代發揮巨大的作用——為工程師提供支援更高效能、更小尺寸和更快開關速度的元件。得益於技術的重大改進,未來將可大幅降低GaN生產的成本。因此,我們正處於這樣一個階段——GaN終於可被看作一項準備量產的製程技術。





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