30年前硅功率MOSFET的出現(xiàn)使市場(chǎng)快速接受開(kāi)關(guān)電源，硅功率MOSFET成為很多應(yīng)用的必選功率器件。近些年來(lái)，MOSFET不可避免地進(jìn)入到性能 瓶頸期；然而與此同時(shí)，增強(qiáng)型GaN HEMT器件在開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬有突破性改善，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。硅功率MOSFET在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)走到盡頭了嗎？

擁有30年發(fā)展史的硅功率MOSFET

功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現(xiàn)于1976年。與那些少數(shù)載流子器件相比，這些多數(shù)載流子器件速度更快、更堅(jiān)固，并且具有更高的電流增益。因此開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換技術(shù)得以真正商用化。早期臺(tái)式電腦的AC/DC開(kāi)關(guān)電源是最早使用功率MOSFET的批量消費(fèi)產(chǎn)品之一，隨后出現(xiàn)了變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、熒光燈、DC/DC轉(zhuǎn)換器等數(shù)千種如今已經(jīng)深入我們?nèi)粘Ｉ畹钠渌鼞?yīng)用。

國(guó)際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導(dǎo)通電 阻，樹(shù)立了那個(gè)時(shí)代的基準(zhǔn)。由于裸片尺寸超過(guò)40mm2，價(jià)格高達(dá)34美元，因此這種產(chǎn)品沒(méi)有立即廣泛地替代傳統(tǒng)的雙極晶體管。

多年來(lái)許多制造商持續(xù)推出了許多代功率MOSFET產(chǎn)品。30年多來(lái)，基準(zhǔn)基本上每年都會(huì)更新。至寫(xiě)這篇文章時(shí)，100V基準(zhǔn)公認(rèn)為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質(zhì)因數(shù)(FOM)相比，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個(gè)值幾乎已經(jīng)達(dá)到硅器件的理論極限。

不過(guò)改進(jìn)仍在持續(xù)。例如，CoolMOS器件和IGBT的導(dǎo)通性能已經(jīng)超過(guò)了簡(jiǎn)單垂直型多數(shù)載流子MOSFET的理論極限。這些創(chuàng)新在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能還會(huì)繼續(xù)，并且會(huì)充分利用功率MOSFET的低成本結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練有素的設(shè)計(jì)師，而這些設(shè)計(jì)師經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐后已經(jīng)學(xué)會(huì)如何有效發(fā)掘電源轉(zhuǎn)換電路和系統(tǒng)的性能。

開(kāi)啟GaN新時(shí)代

HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現(xiàn)于2004年左右，當(dāng)時(shí)日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過(guò)在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產(chǎn)出為射頻市場(chǎng)設(shè)計(jì)的晶體管。HEMT結(jié)構(gòu)基于的是1975年最先由T Mimura et al描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al描述的一種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象展示了接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現(xiàn)象應(yīng)用于碳化硅上生長(zhǎng)的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)兆赫茲頻率范圍內(nèi)的基準(zhǔn)功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管，這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造，采用的是公司自己的SIGANTIC技術(shù)。

隨著另外幾家公司參與市場(chǎng)，GaN射頻晶體管在射頻應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進(jìn)。但這個(gè)市場(chǎng)之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。


突破屏障

30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們，控制突破性技術(shù)的普及率有四大關(guān)鍵因素：

1．這種技術(shù)能否支持重大的新功能?

2．這種技術(shù)是否容易使用?

3．這種技術(shù)對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是否極具成本效益?

4．這種技術(shù)是否可靠?

在接下來(lái)的章節(jié)中我們將根據(jù)上述四條準(zhǔn)則展開(kāi)討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現(xiàn)狀。然后我們會(huì)進(jìn)一步了解GaN的近期開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并預(yù)測(cè)它們對(duì)電源轉(zhuǎn)換行業(yè)的影響。

GaN功率晶體管支持的新功能

增強(qiáng)型GaN HEMT器件(eHEMT)能支持的最大新功能是開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬的突破性改善(見(jiàn)圖2)。GaN擁有比硅高得多的關(guān)鍵電場(chǎng)，因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓，而對(duì)導(dǎo)通電阻的負(fù)面影響卻很小。

在功率MOSFET中，在器件從導(dǎo)通到關(guān)斷(或從關(guān)斷到導(dǎo)通狀態(tài))所需的器件傳導(dǎo)率和電荷數(shù)量之間需要做一個(gè)基本的權(quán)衡。從這種權(quán)衡可以推導(dǎo)出稱(chēng)為RQ乘積的品質(zhì)因數(shù)。這個(gè)指標(biāo)被定義為器件的導(dǎo)通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開(kāi)關(guān)器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實(shí)表明，這一指標(biāo)的改善有助于提高高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。RQ的絕對(duì)值一般也反映了實(shí)際電路中可以實(shí)現(xiàn)的最小脈寬。雖然過(guò)去幾年中RQ乘積得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品質(zhì)因數(shù)仍未真正接近市場(chǎng)上已經(jīng)推出的第一代eHEMT器件。圖3對(duì)額定電壓為100V和200V的基準(zhǔn)硅器件和GaN器件作了比較。

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DC/DC轉(zhuǎn)換器

能夠快速開(kāi)關(guān)并且沒(méi)有太多功率損失意味著用戶(hù)在電源轉(zhuǎn)換電路中可以采用更小的脈沖寬度。需要這種能力的一種重要新興應(yīng)用是非隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器。硅功率MOSFET的基本極限性能限制了單級(jí)非隔離型降壓轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)，其實(shí)際的輸入電壓與輸出電壓之比最大值只能達(dá)到10:1。除了這個(gè)比值外，降壓電路頂端晶體管要求的短脈寬也將導(dǎo)致不可接受的高開(kāi)關(guān)損耗和由此引起的低轉(zhuǎn)換效率。GaN晶體管完全打破了這一性能框架，如圖4和圖5所示。



GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外，還能顯著降低降壓轉(zhuǎn)換器在任何VIN/VOUT比值時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。比較12V至1V轉(zhuǎn)換器就可以發(fā)現(xiàn)這種性能的顯著改善，見(jiàn)圖6。


隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當(dāng)前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉(zhuǎn)換、同步整流和功率因素校正都將能實(shí)現(xiàn)明顯的性能提高。

D類(lèi)音頻放大器

D類(lèi)音頻放大器經(jīng)常面臨著成本、體積和聲音失真之間的折衷考慮。影響失真的最大因素是死區(qū)時(shí)間和輸出濾波器的相移。

D類(lèi)音頻放大器有三種根據(jù)死區(qū)時(shí)間改變輸出脈寬的獨(dú)特操作模式。正向電感電流模式是基于高側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流，反向電感電流模式是基于低側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流，而雙向電流則基于每個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流。這些模式將死區(qū)時(shí)間分別設(shè)置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短決定了與這種現(xiàn)象有關(guān)的失真度。有限開(kāi)關(guān)速度和體二極管前向電壓將進(jìn)一步增強(qiáng)這一效應(yīng)。增強(qiáng)型GaN晶體管具有非常低的柵極電荷，因此具有非常短的延時(shí)和非常快的開(kāi)關(guān)速度。高精度的開(kāi)關(guān)允許更好地控制開(kāi)關(guān)情況，進(jìn)一步縮短死區(qū)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更低的失真。

輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開(kāi)關(guān)頻率決定。在低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，必須使用大的濾波電容和電感，以便從想要的信號(hào)中消除載波頻率。大值的濾波元件不僅增加了放大器的成本和尺寸，還會(huì)造成相移，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制用于補(bǔ)償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統(tǒng)的保真度。采用傳統(tǒng)硅MOSFET時(shí)開(kāi)關(guān)頻率非常有限，因?yàn)楣臅?huì)由于高開(kāi)關(guān)損耗而迅速上升。

GaN晶體管能夠同時(shí)提供低的RDS(ON)和低的柵極電荷(QG)，因此在數(shù)MHz范圍內(nèi)都能提供出色的效率。這時(shí)放大器可以使用更小值的濾波元件，從而減少它們對(duì)成本、尺寸和失真的影響，并允許更高的增益反饋，減小開(kāi)關(guān)放大器對(duì)失真的影響。是以增強(qiáng)型GaN晶體管可以給D類(lèi)應(yīng)用帶來(lái)明顯更高的保真度和更低的成本。

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增強(qiáng)型GaN晶體管易于使用嗎？

器件是否容易使用取決于多方面因素，包括使用者技能、待開(kāi)發(fā)電路的難易程度、與用戶(hù)熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶(hù)使用器件的工具可用性等。

新一代增強(qiáng)型GaN晶體管的行為與現(xiàn)有功率MOSFET非常相似，因此用戶(hù)可以充分利用已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。有兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要特別加以關(guān)注：較低的柵極電介強(qiáng)度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數(shù)量級(jí))和較高的頻率響應(yīng)。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強(qiáng)度將隨著技術(shù)的成熟而不斷提高。同時(shí)，需要采取一定的措施消除工作區(qū)的靜電放電現(xiàn)象，并且設(shè)計(jì)電路時(shí)要保持VGS低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值。第二種差異——較高頻率響應(yīng)不僅是指階躍函 數(shù)性能比以前任何硅器件要高，而且用戶(hù)在設(shè)計(jì)電路版圖時(shí)需要多加考慮。例如，少量的雜散寄生電感可能導(dǎo)致柵極至源極電壓發(fā)生較大的過(guò)沖現(xiàn)象，進(jìn)而有可能損壞器件。

另一方面，也有幾種特性使得這些器件比它們的前代硅器件更加容易使用。例如，閾值電壓實(shí)際上在很寬范圍內(nèi)獨(dú)立于溫度，導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)也比硅小得多。

GaN晶體管也能夠在高達(dá)300℃的溫度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用。因此第一款商用增強(qiáng)型器件的工作溫度最高為125℃。


易于使用的工具對(duì)新器件的易用性起了很大的作用。圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，并對(duì)實(shí)際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結(jié)果作了比較。雖然還需要做多些使這些模型操作完善的工作，但第一代產(chǎn)品應(yīng)提供相當(dāng)可靠的電路性能預(yù)測(cè)，從而提高 工程師的產(chǎn)能，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。


影響產(chǎn)品成本的基本因素有：

影響產(chǎn)品成本的基本因素有四個(gè)：（1）初始材料；（2）外延生長(zhǎng)；（3）晶圓制造；（4）測(cè)試與裝配。

為了便于分析，影響成本的其它因素如良率、工程成本、包裝和運(yùn)輸成本以及一般開(kāi)銷(xiāo)成本,在不同的技術(shù)下被設(shè)定為相同。

初始材料

硅基GaN器件一般在150mm基板上生產(chǎn)(未來(lái)產(chǎn)品將移植到200mm)，而這一領(lǐng)域中的許多制造商是在100mm至200mm的基板上生產(chǎn)功率MOSFET的。由于GaN器件使用標(biāo)準(zhǔn)的硅基板，因此與在相同直徑的初始材料上制造功率MOSFET相比，成本不變。事實(shí)上，在150mm和200mm硅晶圓之間，每單位面積的成本差別是很少，因此我們可以得出的結(jié)論是GaN在每片晶圓之起始材料方面，就不存在真正的成本差異。如果考慮到具有相同電流承載能力的GaN器件面積比硅器件小，那么GaN每個(gè)功能的成本會(huì)更低。

外延生長(zhǎng)

硅外延生長(zhǎng)是一種成熟技術(shù)，許多公司都制造高效率和自動(dòng)化的機(jī)器。MOCVD GaN設(shè)備至少有兩個(gè)來(lái)源，即美國(guó)的Veeco和德國(guó)的Aixtron。這兩家公司都制造功能強(qiáng)大且可靠的機(jī)器，這些機(jī)器的主要用途就是發(fā)光二極管制造中使用的GaN外延生長(zhǎng)。沒(méi)有一臺(tái)機(jī)器針對(duì)硅基GaN外延優(yōu)化過(guò)，也沒(méi)有硅機(jī)器中常見(jiàn)的自動(dòng)化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延較為昂貴。

但這種情況不是一成不變的。由于沒(méi)有像硅器件那樣的極限值，工藝次數(shù)和溫度、晶圓直徑、材料成本和機(jī)器產(chǎn)能都在快速進(jìn)步。在今后幾年內(nèi)，假如GaN作為硅功率MOSFET替代品而得到廣泛采納，那么GaN外延成本有望迅速接近硅外延的成本。

晶圓制造

圖1所示的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓代工廠(chǎng)那里制造并不復(fù)雜。加工溫度與硅CMOS相似，而且交叉污染也很容易管理。

在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圓制造成本之間沒(méi)有材料方面的差異。

測(cè)試與裝配

硅基GaN器件的成本結(jié)構(gòu)在裝配工藝上有很大的區(qū)別,尤勝硅功率MOSFET，而測(cè)試成本是相同的。

硅功率MOSFET需要一個(gè)通常由銅引線(xiàn)框、鋁、金或銅線(xiàn)組成的環(huán)繞封裝，全都在澆鑄的環(huán)氧封套內(nèi)。對(duì)垂直硅器件的頂部和底部需要做連接，并且需要通過(guò)塑料壓模防止?jié)駳膺M(jìn)入有源器件，及將熱量排出器件的方法。

諸如SO8、TO220或DPAK等傳統(tǒng)功率MOSFET封裝會(huì)增加成本、電阻和熱阻，并減少產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量。

硅基GaN可以用作“倒裝芯片”，不會(huì)影響電氣、散熱或可靠性能。

從圖9可以看出，有源器件區(qū)域是與硅基板隔離的，很像藍(lán)寶石上硅器件。因此，有源GaN器件可以由鈍化層完全密封。另外，硅基板可以直接連接到散熱器，實(shí)現(xiàn)出色的散熱性能。


總而言之，硅基GaN不需要封裝，因此能去除與封裝相關(guān)的一切成本、電路板面積、熱阻、電阻及封裝后功率器件經(jīng)常遇到的可靠性問(wèn)題。

圖10羅列了2010年硅基GaN與硅功率晶體管的單位面積成本差異，并對(duì)2015年時(shí)的成本差異作了預(yù)測(cè)。由于相同功能的硅基GaN器件面積更小，總的結(jié)論是硅基GaN表現(xiàn)可以尤勝圖10所列。

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GaN可靠嗎？

在硅功率MOSFET方面累積的可靠性信息量是非常令人吃驚的。多年來(lái)許多人一直在埋頭理解故障機(jī)制、控制和調(diào)整工藝，并設(shè)計(jì)出有別于其它產(chǎn)品的、作為任何電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中高可靠性的產(chǎn)品基準(zhǔn)。

硅基GaN晶體管才剛開(kāi)始這一旅程。然而，初步結(jié)果極其鼓舞人心。Nitronex公司已經(jīng)發(fā)布了他們的質(zhì)量鑒定試驗(yàn)結(jié)果，器件并已成功應(yīng)用于許多射頻方案，效果良好。

圖11、12和13顯示了器件的中期表現(xiàn)結(jié)果。從圖中可以看到被測(cè)試器件在經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的柵極應(yīng)力測(cè)試、漏極至源極應(yīng)力測(cè)試和暴露在高濕環(huán)境且有偏置條件下的穩(wěn)定性。
宜普公司還將器件用在48V至1V DC/DC轉(zhuǎn)換器中，在最大應(yīng)力條件下連續(xù)工作1000小時(shí)也沒(méi)有發(fā)生故障。

我們理解與這種新技術(shù)有關(guān)的各種故障機(jī)制還需要做很多工作。所有進(jìn)入這一個(gè)全新領(lǐng)域的工程人員都有望給這個(gè)知識(shí)庫(kù)作出貢獻(xiàn)。從目前我們擁有的數(shù)據(jù)來(lái)看，這種技術(shù)如今已經(jīng)能夠在商業(yè)應(yīng)用中達(dá)至可接受的可靠水平。

未來(lái)發(fā)展方向

GaN發(fā)展之路才剛剛開(kāi)始。以品質(zhì)因數(shù)RQ代表的基本器件性能將得到根本性的提升。隨著人們對(duì)材料和工藝的進(jìn)一步了解，在今后三年內(nèi)性能極有希望提高2倍，在今后10年內(nèi)有望提高10倍。

對(duì)GaN來(lái)說(shuō),影響電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的最大機(jī)會(huì)也許來(lái)自在相同基板上同時(shí)集成功率級(jí)和信號(hào)級(jí)器件的固有能力。硅基GaN非常像SOI，在元件之間沒(méi)有顯著的寄生交互，因此設(shè)計(jì)師能夠很容易地在單個(gè)芯片上開(kāi)發(fā)出單片電源系統(tǒng)。

圖15、16和17顯示了已經(jīng)制造出來(lái)的各種集成器件。圖15是松下公司制造的三相電機(jī)控制IC(17)，內(nèi)含用6個(gè)功率晶體管設(shè)計(jì)的板載IC驅(qū)動(dòng)器。圖16是宜普公司開(kāi)發(fā)的全橋功率器件，圖17則是宜普公司提供的板載驅(qū)動(dòng)器的功率晶體管。

在二十世紀(jì)七十年代晚期，功率MOSFET的開(kāi)發(fā)先驅(qū)相信他們擁有了一種能夠完全替代雙極晶體管的技術(shù)。三十年后的今天，我們?nèi)杂写罅繎?yīng)用選擇了雙極晶體管而不是功率MOSFET，但功率MOSFET市場(chǎng)規(guī)模要比雙極晶體管市場(chǎng)大許多倍，因?yàn)樗行碌膽?yīng)用和新的市場(chǎng)都是由這種突破性技術(shù)培育出來(lái)的。

今天，增強(qiáng)型硅基GaN站在同樣的起跑線(xiàn)上。與1976年時(shí)的功率MOSFET一樣，我們正在開(kāi)始令人興奮的旅程，幾乎每個(gè)月都有新產(chǎn)品和突破性功能推出。

功率MOSFET不會(huì)被完全淘汰出局，但其性能和成本的重大改善行將結(jié)束。在將來(lái)的十年內(nèi)，GaN由于在性能和成本方面的巨大優(yōu)勢(shì)而很可能成為主導(dǎo)技術(shù)。隨著學(xué)習(xí)曲線(xiàn)的不斷展開(kāi)，這種優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步擴(kuò)大。

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