硅基氮化鎵IC是如何制成的？重新定義電源轉(zhuǎn)換

分立式氮化鎵（GaN）晶體管已投入生產(chǎn)十多年了，目前這項技術(shù)已成熟了很多。事實證明，GaN器件比硅功率MOSFET器件具有更高的性能和更低的成本。但是，GaN晶體管現(xiàn)在的優(yōu)勢還僅在于器件本身，未來則可以通過將多個GaN器件集成到單個芯片上，構(gòu)建完整的電源系統(tǒng)，而發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

ASPENCORE第三屆“全球CEO峰會”于2020年11月5日在深圳召開。本屆大會邀請到EPC公司首席執(zhí)行官Alex Lidow，為我們帶來了“Redefining Power Conversion with Gallium Nitride Integrated Circuits”（用GaN IC重新定義電源轉(zhuǎn)換）的主題演講。下面是他所分享的四個方面：GaN發(fā)展的歷史背景及其背后的推動力、目前最先進(jìn)的技術(shù)、制造IC的實際方法及其最先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)勢，以及展望未來數(shù)年內(nèi)GaN技術(shù)帶來的變化。

他表示，氮化鎵器件最先被采用的地方，是需要采用快速開關(guān)器件的地方，以及基站的包絡(luò)跟蹤，和用于全自動駕駛汽車的激光雷達(dá)（但最初只支持三維制圖功能）。

而后，隨著氮化鎵器件性能的提高，人們對這些器件的可靠性和可用性有了更大的信心后，氮化鎵器件被用于廣闊的全新應(yīng)用。大約三年前，當(dāng)?shù)壟c功率MOSFET的價格開始相當(dāng)時，氮化鎵器件受到市場廣泛采用，特別是用于需要具備更高的可靠性、更低的成本以及更高的性能的功率器件應(yīng)用領(lǐng)域，包括服務(wù)器的DC/DC轉(zhuǎn)換器、新一代機(jī)器人和無人機(jī)的高功率密度計算機(jī)的電機(jī)控制器、最高端的D類音頻放大器、車載應(yīng)用和無線電源系統(tǒng)的音頻放大器。近來，衛(wèi)星配電系統(tǒng)也采用氮化鎵器件，從而創(chuàng)造了一個非常龐大的全新市場。

GaN性能還有300倍提升空間

圖1給出了EPC GaN（eGaN）器件的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的關(guān)系。黑色對角線是功率MOSFET的理論極限值，藍(lán)色對角線是氮化鎵器件的理論極限值，紫色圓點(diǎn)顯示宜普電源轉(zhuǎn)換公司的前一代器件的性能，綠星代表目前最先進(jìn)的器件的性能，但與理論極限值還相差300倍。因此，可以預(yù)期，未來數(shù)年內(nèi)GaN器件的性能將會迅猛發(fā)展并越來越接近藍(lán)色對角線，并且其小型化的理論極限比硅器件要小6000倍！

圖1：eGaN器件的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的關(guān)系

圖2顯示了400V以下的最先進(jìn)的器件，藍(lán)色橢圓形之內(nèi)是目前實際投入量產(chǎn)并已經(jīng)發(fā)貨的產(chǎn)品。綠色橢圓形內(nèi)的產(chǎn)品則在2020年第四季度至2021年第一季度之間開發(fā)，包括30V~350V的器件且導(dǎo)通電阻范圍在數(shù)mΩ至數(shù)十mΩ之間。

圖2：EPC第五代400V以下GaN器件

硅基氮化鎵IC是如何制成的？

大約六年前，EPC開始開發(fā)第一階段的IC，最開始是只制造分立式功率器件。如圖3（一半）所示，器件的源極、漏極和柵極都在同一表面上。氮化鎵層是在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓的頂部生成，可以在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓廠生產(chǎn)。

圖3：GaN集成第一階段

氮化鎵器件采用橫向設(shè)計，所有端子都在同一表面上，并且是半絕緣的，因此可將兩個功率器件放在同一塊襯底上而不相互影響。把半橋的兩個功率器件放到同一裸片的兩側(cè)上，就形成半橋IC。

圖4是單片式半橋器件，最早的一批于2014年9月推出，最明顯的優(yōu)勢是節(jié)省了大量空間，此外，還有一個不太明顯但卻非常重要的優(yōu)勢是，它可以大大降低功率環(huán)路電感。

圖4：單片式半橋器件

圖5給出了降壓轉(zhuǎn)換器效率與輸出電流的關(guān)系——轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為12V、輸出電壓為1.2V、工作頻率高達(dá)1MHz。藍(lán)色線代表兩個分立式氮化鎵晶體管采用硅驅(qū)動器驅(qū)動，而PCB采用了高效的布局設(shè)計。綠色線代表氮化鎵半橋器件，其中的兩個晶體管具有相同的電阻。但是，當(dāng)將兩個器件集成在一起時，效率高很多。主要的原因有兩個：首先是功率環(huán)路電感從大約400pH減至大約200pH，當(dāng)器件的工作頻率達(dá)到MHz時，效率就不同；第二是對于非對稱降壓轉(zhuǎn)換器，高側(cè)器件或控制器的運(yùn)行溫度往往比低側(cè)器件高。如果將它們放在同一個芯片上，實際上就可以平衡熱量，整體的效果就更好。

圖5：降壓轉(zhuǎn)換器效率與輸出電流的關(guān)系

圖6顯示了功率器件IC第二階段的發(fā)展。對于氮化鎵器件，柵極和漏極之間的距離，很大程度上決定了器件可以承受的電壓，通過縮短距離可以制造出更小型化的器件。實際上，在同一芯片放置低壓邏輯/模擬器件和大功率高壓器件非常簡單。

圖6：GaN集成第二階段

圖7是飛行時間（ToF）IC的最新范例。左邊是輸入邏輯，右邊是MOSFET的驅(qū)動器。這個器件在接收邏輯信號后產(chǎn)生非常大的電流和極短的脈沖，從而在飛行時間應(yīng)用中發(fā)射激光。這個例子很好地說明了如何將驅(qū)動器和MOSFET集成在同一個芯片上而生成非常強(qiáng)大且快速的IC，而可以采用常規(guī)的邏輯門來驅(qū)動。

圖7：ToF IC范例

圖8所顯示的粉紅色線代表器件的漏極電流，這個脈沖大小為10A，寬度約為1.94ns，上升沿時間為380ps，下降沿時間為525ps。這個器件采用2.1V邏輯信號驅(qū)動（以綠色線表示），輸入信號到輸出之間大約只有1ns的延遲。它可以在100MHz的脈沖頻率下工作。

圖8：ToF IC性能

GaN IC發(fā)展到第三階段，可以將低壓模擬/數(shù)字器件與高壓功率器件集成在同一芯片上；除了低側(cè)功率器件以外，還可以將高側(cè)器件集成進(jìn)來；還可以將低壓模擬/數(shù)字器件放到高側(cè)；然后還可以在其上再集成晶體管而實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。這樣就可以得到單片式功率級。

圖9：GaN集成第三階段

從圖10的框圖可以看到單片功率級的所有功能。從右邊可以看到兩個功率MOSFET構(gòu)成半橋，并各自配備驅(qū)動器。高側(cè)進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)換。頂部是同步自舉電路，用來產(chǎn)生高側(cè)所需的柵極電壓。然后這里面有多個輸入邏輯、欠壓鎖定電路并且將高低側(cè)輸入信號接地。因此，簡單的數(shù)字邏輯信號可以為半橋高低側(cè)供電。這就構(gòu)成了非常簡單的斷電邏輯。芯片的尺寸為10mm2，從2020年3月開始投產(chǎn)。它比等效分立器件小35%，如果放置所有分立器件在PCB上，布局就會變得非常擁擠。這種方案與采用分立器件的方案相比元器件數(shù)量減少一半。由于包含了輸入邏輯和功率輸出，因此所需的設(shè)計時間要少得多。而且其效率也比預(yù)期的要高得多!

圖10：集成式功率級框圖

圖11展示了48V/12V降壓轉(zhuǎn)換器采用分立器件和單片式器件在1MHz和2.5MHz工作頻率時的效率對比，綠線代表單片功率級，藍(lán)線代表分立式方案——其中分立式方案中所采用的MOSFET的特性與單片IC相同，并且是置于非常高效的布局中，分立驅(qū)動器IC也是放置在非常靠近MOSFET的位置。由此可知，單片集成電路的性能明顯優(yōu)于分立器件。

圖11：集成式GaN與分立式方案（及MOSFET）對比

原因有3個：

首先，單片式半橋器件降低了功率環(huán)路電感。

其次，在同一芯片上將驅(qū)動器放在MOSFET的旁邊，從而消除了柵極環(huán)路電感。

第三，將所有器件放在一起后，形成了一個熱導(dǎo)管，這樣就可以平衡所有器件的溫度，因此平均來說，凈溫升可以更低。

另外用最好的傳統(tǒng)功率MOSFET（用黑色X表示）與之對比，可以發(fā)現(xiàn)前者的效率是91%，比單片集成電路的效率低出5%，并且尺寸大很多。這意味著功率損耗降低了超過50%。

圖12是雙向降壓轉(zhuǎn)換器的例子，它由兩個單片功率級組成，就是黃圈所示。這一48V/12V、300W的雙向降壓轉(zhuǎn)換器，具有96%的效率，其功率密度超高——可以放進(jìn)1/16磚式轉(zhuǎn)換器。

圖12：300W雙向降壓轉(zhuǎn)換器實例

圖13是采用功率級構(gòu)建的電機(jī)控制器。這款三相電機(jī)控制器的尺寸僅為45mm×55mm。其中用到三個IC（白圈圈出），優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)控制器可以實現(xiàn)高得多的開關(guān)頻率；既可以減小尺寸，又可以減輕重量。此外，它可以減少噪聲并實現(xiàn)更高的電機(jī)定位精度——對于機(jī)器人來說，這點(diǎn)非常重要，因此這種方案在無人機(jī)、機(jī)器人和電動自行車中非常流行。

圖13：500W電機(jī)驅(qū)動器實例

單片功率級的所有好處包括：

首先，它的元器件數(shù)量減少了一半，有時甚至更多。

其次，它縮短了產(chǎn)品從設(shè)計到推向市場的時間。過去10年，設(shè)計人員在采用分立式氮化鎵器件設(shè)計時需要花費(fèi)大量時間才能把產(chǎn)品推向市場——必須設(shè)計出非常緊湊的布局，必須找到與這些器件相匹配的IC，必須將邏輯信號轉(zhuǎn)換為柵極驅(qū)動信號。

現(xiàn)在沒有這些問題了。布局簡單，而且驅(qū)動具有很好的邏輯輸入和功率輸出。

當(dāng)然，還節(jié)省了寶貴的占板面積，并節(jié)省了由此產(chǎn)生的成本——占板面積成本隨著功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的密度越來越高而變得昂貴。單片功率級不僅價格合理，而且還節(jié)省了元器件數(shù)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，IC當(dāng)中還會加入電流感應(yīng)、死區(qū)時間控制和更多邏輯以及其他多種功能。

GaN技術(shù)發(fā)展路線圖

從圖14的頂部可以看到，現(xiàn)今的分立器件正處于其第五代的技術(shù)平臺。而對于集成電路，則是從單片半橋器件開始發(fā)展到添加了越來越多的功能和特性，進(jìn)而發(fā)展到ToF IC。2020年，EPC第5+代分立器件系列將再次提升性能。與此同時，該公司將會把其在IC方面學(xué)習(xí)到的所有知識，都應(yīng)用到ePower單片式功率級IC上，而實現(xiàn)功率IC中最常見的各種功能。

圖14：分立式vs集成式GaN發(fā)展路線圖

未來，分立式器件還將發(fā)展到第六代技術(shù)，這時距離氮化鎵理論極限還有300倍的發(fā)展進(jìn)程，而新一代的多級轉(zhuǎn)換功率級還會具備更多的功能和特性、電流檢測、死區(qū)時間控制、各種溫度和檢測功能。

最后，大約四年后，還會將包含閉環(huán)在內(nèi)的所有功能集成到SoC當(dāng)中。這樣，用戶只要給出數(shù)字邏輯輸入信號，就可以得到所規(guī)定的功率輸出。到時，隨著分立器件的集成化，以及功率密度越來越高，焊球及焊條（電流輸出引腳）設(shè)計將會越來越難。因此就必須再進(jìn)一步地集成為小型的多芯片、多功能IC。在接下來的3年或4年內(nèi)，分立式電源轉(zhuǎn)換晶體管將會緩慢淘汰，而設(shè)計人員在設(shè)計系統(tǒng)時將會采用集成電路。

GaN的發(fā)展確實還存在一些挑戰(zhàn)：

首先，氮化鎵還沒有P溝道器件，這使得電路設(shè)計更加困難，尤其是不可能制造出良好的CMOS電路。

其次，由于氮化鎵技術(shù)還處于萌芽期，預(yù)先設(shè)計的電路單元（circuit block）還較少，因此市面還沒有龐大的電路單元庫。因此，大多數(shù)情況下，設(shè)計人員都需要通過自己設(shè)計電路來搭建大型系統(tǒng)。這就會花費(fèi)更長時間，并需要通過技術(shù)迭代實現(xiàn)，而且這也對IC設(shè)計人員的技能提出更高要求。

第三，分立器件技術(shù)也同樣會繼續(xù)快速發(fā)展——要謹(jǐn)記，氮化鎵技術(shù)離其理論極限還有300倍的距離。如果IC平臺不能緊隨分立技術(shù)平臺的發(fā)展，目前可以從分立式晶體管獲得的性能優(yōu)勢，集成電路就暫時無法實現(xiàn)。因此，就需要極快速地開發(fā)出工藝設(shè)計套件，從而使IC的設(shè)計功能自動化。而且，也需要實現(xiàn)技術(shù)迭代，才能夠滿足所需的技術(shù)發(fā)展速度。

總結(jié)

EPC的氮化鎵技術(shù)發(fā)展迅猛。其不斷推出新一代的分立器件，成為了新一代更高效、更小型化、成本更低的IC的平臺。

GaN IC使產(chǎn)品更易于設(shè)計、更小型化、更快、更高效。而隨著氮化鎵技術(shù)的改進(jìn)，IC就變得至關(guān)重要，因為我們無法再從分立式功率器件的輸入及輸出實現(xiàn)所需的功率密度。但是，如果將多個功率器件集成到功率IC中，則可以實現(xiàn)高很多的功率密度。

憑借這些優(yōu)勢，加上集成電路的成本遠(yuǎn)低于其能夠增加的價值，隨著氮化鎵技術(shù)更趨成熟，分立器件將逐漸被淘汰。

因此，氮化鎵技術(shù)的崛起，正在重新定義電源轉(zhuǎn)換，而全新的氮化鎵集成電路則會為業(yè)界帶來最大的性能優(yōu)勢。
編輯：hfy