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氮化鎵為新時代開啟一線曙光

上網時間: 2015年02月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:氮化鎵  GaN  功率密度  電晶體  GaAs 

隨著設計變得越來越複雜,工程師不斷尋找更新的半導體材料。氮化鎵(GaN)材料自從多年前開始被IEEE國際微波研討會等重要會議視為一大趨勢後,近年來已經逐漸穩定立足於RF/微波應用。接下來,氮化鎵將應用在哪些方面?它存在哪些侷限?未來又將帶來哪些可能性?

為了回答這些問題,《EETimes》記者訪問了在GaN Systems、宜普電源轉換公司(Efficient Power Conversion;EPC)、TriQuint Semiconductor、MACOM與Element Six等公司的研發團隊。

相較於矽和砷化鎵(GaAs),氮化鎵在功率密度和功率電平方面更具優勢,但本身也存在技術限制。TriQuint基礎設施和國防產品研究資深總監Douglas H. Reep指出,GaN功率電晶體能夠達到>10W/mm的功率密度以及超過500W的功率級,然而,“從理論來看,氮化鎵技術的限制就在於基本材料性能的限制,以及我們利用氮化鎵的創造力。”

Reep表示,考慮氮化鎵的最重要因素是電晶體速度與工作電壓之間的關係,如同Johnson導出的FoM數據所示。他強調,在這種比較上,氮化鎵表現出較GaAs更高1倍以及比矽晶更高2倍的性能優勢。他補充說,氮化鎵的研發經常著重在半導體和封裝階段的熱管理。

至於高壓元件,GaN Systems最近發佈五款針對高速系統設計最佳化的650V GaN電晶體。這些650V元件具有反向電流的能力、零反向恢復充電以及電源感知等功能。該公司在去年初發佈的100V GaN功率電晶體也同樣具備這些特色。

然而,目前的技術限制在於保持可靠性的同時也必須提高工作電壓,MACOM公司資深技術研究員Tim Boles強調,必須提高電壓偏置才能實現更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。“PAE在2.5到3.5GHz以上可適時地達到70%的增幅,”他並預計,“更高的偏置電壓將可提高這項參數。”

GaN Systems總裁Girvan Patterson則認為,擊穿電壓是氮化鎵的關鍵。透過在碳化矽上利用氮化鎵,該公司已能在實驗室中獲得超過2,000V的電壓。然而,他指出,在當前基於矽的GaN技術結構,擊穿電壓仍受到垂直擊穿的限制。

這使得我們目前的工作電壓受限於650V,Patterson解釋說,“我們預期在接下來幾年可進一步開發出更好的基板材料,使工作電壓提高到900V或甚至超過1200V。”至於效率,Patterson認為,氮化鎵的使用者已經證明它可展現99%的轉換效率了,而矽晶的轉換效率還不到95%。

此外,還有熱量。Element Six技術公司防禦和航空航太業務主管Felix Ejeckam提到,氮化鎵電晶體目前尚未能達到原始功率密度的最大值,除非熱量能從發熱結處被成功地釋放出來,才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等參數。

應用

如今,進行GaN研究工作的人很少僅僅將它看做是矽或GaAs的替代品,而是看好它作為一種可在新應用中發揮作用的獨特材料,特別是它可在高頻率、高電壓和高功率密度的應用領域中帶來極具研究前景。

EPC執行長Alex Lidow強調,氮化鎵材料每天都在催生新應用。例如,大量的封包追蹤與光達(LIDAR),以及最近大量應用於伺服器的DC-DC轉換器、D類放大器、無線充電與醫療應用等。

增強型GaN電晶體表現出高耐輻射性能,從而適用於通訊和科學衛星的功率和通訊系統
增強型GaN電晶體表現出高耐輻射性能,從而適用於通訊和科學衛星的功率和通訊系統。
(來源:EPC)

Patterson認為,氮化鎵的應用領域十分龐大,包括在替代能源市場的高效電源轉換、電動和混合動力車、交通運輸以及高效率的電源的應用,在利用氮化鎵後可實現高達99%的效率。此外,他還觀察到在2015年將可看到越來越多消費領域的開發人員對這款材料的興趣增加,“例如,在未來12個月,我們可望看到比現在電視更輕薄的新一代電視上市,這就是因為利用了GaN功率電晶體帶來顯著節省空間的效果。”

在RF方面,基於鑽石的氮化鎵(GaN-on-diamond)近來在作為蜂巢式基地台的RF放大器以及軍事應用的雷達方面也展現成長動能。此外,根據Ejeckam表示,在風力/PV發電系統所用的超高功率(高達幾千瓦)逆變器,也可看到對於利用鑽石氮化鎵材料的興趣。

鑽石氮化鎵晶圓利用Element Six的合成鑽石
鑽石氮化鎵晶圓利用Element Six的合成鑽石。
(來源:Element Six Technologies)

催生新設計

除了作為其他材料的替代品以外,如果我們能更進一步地來看氮化鎵,那麼接下來的問題就是,氮化鎵能讓設計人員完成以前無法實現的新設計嗎?

(下一頁繼續:電子工程師必須瞭解氮化鎵的哪些方面)


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