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電源系統(tǒng)設(shè)計的未來,靠的是"GaN"還是"硅"技術(shù)?

發(fā)布時間:2015-05-28 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】為了向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開關(guān)速度的器件,GaN需要作出很多努力,這是不是就意味著GaN不如硅呢?實則相反,隨著容量將可能達(dá)到前所未有的性能基準(zhǔn),氮化鎵(GaN)現(xiàn)作為一個新興的工藝技術(shù),將影響電源系統(tǒng)設(shè)計的未來發(fā)展。
 
無論是消費電子產(chǎn)品、通訊硬件、電動車還是家用電器,提升電源轉(zhuǎn)換能效、提高功率密度水平、延長電池使用時間和加快開關(guān)速度這些日益嚴(yán)格的要求正擺在工程師面前。所有這一切都意味著電子產(chǎn)業(yè)定會變得越來越依賴于新型的功率半導(dǎo)體,采用不再以硅(Si)為基礎(chǔ)的新的工藝技術(shù)。隨著容量將可能達(dá)到前所未有的性能基準(zhǔn),氮化鎵(GaN)現(xiàn)作為一個新興的工藝技術(shù),將影響電源系統(tǒng)設(shè)計的未來發(fā)展。
 
過去十年,GaN已在多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響,在光電方面它已對高亮發(fā)光二極管(HBLED)的發(fā)展和增殖發(fā)揮重要作用,在無線通訊方面它已被用于高功率射頻(RF)設(shè)備如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)?,F(xiàn)在在電源應(yīng)用中廣泛采用GaN有著巨大的潛力。行業(yè)分析Yole Research預(yù)測:到2020年GaN功率器件業(yè)務(wù)每年當(dāng)值約6億美元。
 
為證實Yole對市場的評估是正確的,必須達(dá)到這樣一個數(shù)字,未來5年要看到100%的年復(fù)合增長率(CAGR)。然而,在那成為現(xiàn)實前還有無數(shù)的挑戰(zhàn)有待解決。本文我們將看看采取什么措施以確保GaN的廣泛采用。
 
現(xiàn)在關(guān)于GaN的所有興趣從何而來?
 
最近有一些動態(tài)令GaN得到比以前更認(rèn)真的審議。電源系統(tǒng)設(shè)計正經(jīng)受更大的空間限制。例如,在消費電子領(lǐng)域,用于便攜產(chǎn)品的充電器的緊湊度正不斷得到精簡。同樣,數(shù)據(jù)中心的機(jī)架正變得越來越擁擠。因此,必須增加功率密度和提升電源轉(zhuǎn)換能效,在不占用太多空間的同時確保其功率IC的散熱機(jī)制。這導(dǎo)致了功率MOSFET的需求增加,以更快的開關(guān)速度工作。
 
目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)絕大多數(shù)依賴于硅基底。硅工藝作為電子業(yè)的基礎(chǔ)已有幾十年,在此期間,雖然進(jìn)行高能效電源轉(zhuǎn)換的方法綽綽有余,但即將不足的時代正迅速逼近。摩爾定律越來越接近其物理極限,將來這一切可真的是預(yù)期的硅性能的不明顯的漸進(jìn)式改善。鑒于我們注定要生活在一個對能源越來越渴求的社會,必須研究可替代的半導(dǎo)體技術(shù)。
在功率密度應(yīng)用中使用GaN的潛在改善
圖:在功率密度應(yīng)用中使用GaN的潛在改善
 
那么使用GaN有什么好處?
 
硅功率器件現(xiàn)正開始達(dá)到其性能改進(jìn)被抑制的階段,不可避免的結(jié)論是來自硅進(jìn)一步支持的技術(shù)演進(jìn)的能力逐漸減弱?,F(xiàn)在明確地需要實質(zhì)上的具有顛覆性的技術(shù)。
 
正如已經(jīng)談到的,功率半導(dǎo)體必須能提供以下性能組合:
 
1. 高電源轉(zhuǎn)換能效
 
2. 高功率密度/緊湊的尺寸
 
3. 快速開關(guān)
 
4. 成本效益
 
根據(jù)IC的特定用途,此列表中的某些屬性將比其它更重要。GaN極其滿足所有上述標(biāo)準(zhǔn)—一些現(xiàn)在就可以做到,另一些在將來也能實現(xiàn)。
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在任何電源系統(tǒng)設(shè)計中,某種程度的電源轉(zhuǎn)換損耗將是固定的,但由于其寬帶隙,GaN明顯比硅表現(xiàn)出更低的損耗,即更好的電源轉(zhuǎn)換效率。因為GaN片可比等效的硅片更小,基于此技術(shù)的器件可被置于尺寸更小的封裝規(guī)格中。由于其高流動性,GaN在用于要求快速開關(guān)的電路中能效極高。圖2顯示了GaN HEMT器件的物理結(jié)構(gòu)和它如何類似于現(xiàn)有的MOSFET技術(shù)。GaN中的側(cè)向電子流同時提供低導(dǎo)通損耗(低導(dǎo)通阻抗)和低開關(guān)損耗。而且,提高的開關(guān)速度也有助于節(jié)省空間,因為電源電路所含無源元件可以更少,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(zhuǎn)換效率意味著更少的散熱量——減小了需要分配給熱管理的空間。
GaN與硅制造工藝之間的相似性
圖:GaN與硅制造工藝之間的相似性
 
為什么GaN直到現(xiàn)在才推行?
 
正如我們已看到的,GaN具有一些關(guān)鍵特性與硅區(qū)別開來,并令它特別適合電源應(yīng)用。然而,到目前為止,GaN作為一個功率器件材料的進(jìn)展緩慢。像過去被開發(fā)的其它半導(dǎo)體技術(shù)一樣,需要花費時間來達(dá)到一個成熟狀態(tài)。對任何芯片技術(shù)在整體上同時提供高程度的均勻性和重復(fù)性的能力是至關(guān)重要的,而以前這是GaN的問題點。由于GaN生產(chǎn)的低良率,硅能提供相當(dāng)大的成本優(yōu)勢而蓋過其性能的不足。這令硅在功率半導(dǎo)體生產(chǎn)中維持其主導(dǎo)地位。盡管如此,一直以來關(guān)于GaN的制造工藝正被改善,以呈現(xiàn)更高良率,以及現(xiàn)正被證實的更高的可靠性。
 
GaN處于有利地位,可從已為硅器件到位的制造設(shè)施中受益。只需使用相同的設(shè)備,添加幾個簡單的工藝步驟,就可應(yīng)用于現(xiàn)有的6英寸和8英寸的CMOS硅制造工藝,而且,一旦容量需求成為必要,可擴(kuò)展至12英寸工藝。
 
隨著標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅制造轉(zhuǎn)為更大尺寸的晶圓,對傳統(tǒng)的最初用于硅器件的制造設(shè)施繼續(xù)工作是一個真正的機(jī)會(否則會變得多余)。這意味著舊的芯片生產(chǎn)基地通過切換輸出氮化鎵而將獲得第二次新生。
 
通過這樣的方式降低成本,新的渠道將開始為GaN打開。正如60年代末和70年代初為硅基IC所做的那樣,市場將滾雪球——GaN的需求增加將導(dǎo)致更多的產(chǎn)量和更低的單位成本。
 
未來幾年,GaN將不再被看作小生態(tài)半導(dǎo)體技術(shù),僅僅簡單地在較小的制造場地和實驗室制造,而是將成為商業(yè)可行的解決方案,可通過大規(guī)模方案生產(chǎn)器件從而能達(dá)到與硅一致的價位。自去年9月以來,安森美半導(dǎo)體一直與Transphorm合作,攜手將GaN技術(shù)引入市場。通過結(jié)合Transphorm無與倫比的GaN專業(yè)知識和安森美半導(dǎo)體的專長、寬廣的知識產(chǎn)權(quán)陣容及量產(chǎn)經(jīng)驗,兩家公司將能將功率器件引入市場實現(xiàn)下一代應(yīng)用。
 
總之,我們的電力需求超越了長期的半導(dǎo)體技術(shù),而且必須做些什么來解決這個問題。當(dāng)應(yīng)用于電源系統(tǒng)設(shè)計,GaN有能力使性能發(fā)生巨大的改善而超越硅器件可實現(xiàn)的性能。因此它必定在電力電子的新時代發(fā)揮巨大的作用——向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開關(guān)速度的器件。得益于技術(shù)的重大改進(jìn),將有可能降低GaN生產(chǎn)的費用。因此我們現(xiàn)在處于這樣一個階段,GaN終于可被看作一種準(zhǔn)備量產(chǎn)的工藝技術(shù)。
 
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