基于GaN的功率技術(shù)引發(fā)電子轉(zhuǎn)換革命

基于GaN的功率技術(shù)引發(fā)電子轉(zhuǎn)換革命

功率MOSFET出現(xiàn)之前，雙極性晶體管在功率電子領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位，而且線性供電支配著整個電源世界。但是，30年前第一批商用化硅MOSFET的推出(包括IR已經(jīng)注冊商標(biāo)的HEXFET)，使功率電子領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。通過使開關(guān)電源更加小巧、輕便而且更有效率，功率MOSFET使市場快速接受開關(guān)電源。從那時起，MOSFET就成為很多應(yīng)用的必選功率器件。幾十年過去了，MOSFET也在不斷演變。圖1展示了由平面HEXFET到TrenchFET和超結(jié)FET，硅MOSFET的性能指數(shù)所發(fā)生的巨大改善，而這些改善也使其能夠適用于不同的應(yīng)用。

圖1：由HEXFET到TrenchFET及SJ FET，硅功率MOSFET已經(jīng)經(jīng)過了30年的演變，且在電源市場廣泛應(yīng)用。然而，硅功率MOSFET現(xiàn)在已經(jīng)接近成熟期。

然而最近，MOSFET開始進(jìn)入到性能瓶頸期。正如圖1所示，硅功率晶體管已經(jīng)接近成熟。就算工程人員努力希望硅功率FET可以再進(jìn)一步，也只會事倍功半。

為了滿足市場對功率MOSFET不斷增長的需求，IR開發(fā)了GaNpowIR這種革命性的基于GaN的功率器件技術(shù)平臺。這個平臺保證能夠比現(xiàn)在最先進(jìn)的硅MOSFET帶來高十倍的FOM，而且它對很多不同應(yīng)用來說都有極大的潛能。如同30多年前的硅功率MOSFET一樣，IR專有的硅基GaN外延工藝和器件制造技術(shù)預(yù)示該領(lǐng)域即將出現(xiàn)一個高頻率、高密度且符合成本效益的功率轉(zhuǎn)換解決方案新時代。

GaNpowIR技術(shù)：一個商用化平臺

如果想在功率應(yīng)用上使用GaN技術(shù)，必須先選擇一種基片來形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍(lán)寶石晶圓，它們在成本、供應(yīng)量及尺寸方面都有缺點。雖然從前硅是最吸引的低成本基片，但使用也有困難，例如會形成瑕疵及變形。因為基片與外延膜之間在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面本質(zhì)上不匹配，所以要完成可靠且有高品質(zhì)的硅基片GaN異質(zhì)外延工藝程序一向都很困難。工程人員非常努力地尋找能夠解決這些問題的控制程序和方法，最終開發(fā)了一種擁有低不良率，高一致性及器件可靠性的外延膜。IR的GaNpowIR平臺就在低成本的150mm直徑硅晶圓上沉積大量的GaN物料。

GaN技術(shù)商用化的另一個障礙，是與晶圓制程相關(guān)的制造成本。早期的GaN制造都涉及昂貴的程序，例如金沉積，又或者是那些不能進(jìn)行自動化的運作程序。反之，GaNpowIR原本就是為在標(biāo)準(zhǔn)CMOS生產(chǎn)線上制造而設(shè)計，所以除了能夠降低成本，還確保了制程可以配合量產(chǎn)。

GaNpowIR一方面通過針對商用的量產(chǎn)來確保更卓越的性價比，另一方面也可以滿足針對器件品質(zhì)和耐用性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了勾劃出其故障模式，基于GaN的功率器件在不斷進(jìn)行多種本質(zhì)可靠性測試。而同時進(jìn)行的傳統(tǒng)的產(chǎn)品品質(zhì)認(rèn)可測試，則可以確保IR的GaNpowIR器件能夠在其預(yù)定的工作壽命期間可靠運作。

首個上市的型號將是采用30V額定值的GaN晶體管，集成封裝DC-DC功率級，適用于由典型12V降壓到1V或以下的應(yīng)用。擁有更高電壓額定值的器件將會在以后陸續(xù)推出。

圖2：硅基片GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)的早期橫切面

如圖2所示，基本的硅基片GaN功率器件是一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，由于優(yōu)質(zhì)GaN表面上的A1GaN薄層的密切活動，自發(fā)而成的二維電子氣(2DEG)。因為這種器件是用備有高電子遷移率通道的HEMT進(jìn)行建構(gòu)，無需外施電壓也能夠?qū)?，所以GaN HEMT通常都在導(dǎo)通狀態(tài)。

硅基片GaN的好處

由于集成了高傳導(dǎo)電子密度、高電子遷移率和更高帶隙，所以基于GaN的功率HEMT可在指定的反向耐壓下大幅降低器件的通態(tài)電阻RDS(on)。圖3便顯示了在不同額定電壓下所計算出來的Si、SiC和GaN物理極限曲線。

圖3：把指定的通態(tài)電阻FOM與反向耐壓額定值制成圖表，計算出來的Si、SiC和GaN的物理極限顯示了GaN以數(shù)量級計改進(jìn)潛能。今天的GaN FET其性能已經(jīng)超越硅器件，同時隨著GaN FET進(jìn)一步發(fā)展，兩者的距離將會愈來愈遠(yuǎn)。

大家可以看到GaN的通態(tài)電阻比Si和SiC都要小十倍以上。除了超結(jié)FET、IGBT這些為較低FOM而犧牲了開關(guān)性能及工序復(fù)雜性(成本)的器件之外，硅MOSFET在歷經(jīng)30年發(fā)展之后，可以說已經(jīng)接近或來到了它的物理極限。近來，基于SiC的功率FET的性能數(shù)據(jù)已經(jīng)在文獻(xiàn)上公開。與硅相比，它們看起來能夠提供更好的通態(tài)電阻，不過仍有改善的空間。基于GaN的FET已發(fā)布的性能表現(xiàn)同樣比硅好，而且這種物料距離其材料極限還很遠(yuǎn)，未來可以有很大的進(jìn)步。假如生產(chǎn)成本夠低，極具吸引力的性價比將驅(qū)使市場用基于GaN的功率MOSFET來代替基于硅的產(chǎn)品。這正是IR開發(fā)GaNpowIR平臺的理由。我們可以根據(jù)相關(guān)程度為每個應(yīng)用選出數(shù)個性能指數(shù)來作性能衡量的憑證。

實現(xiàn)價值

簡單的功率級價值主張可以定義為：效率*密度/成本。這個表達(dá)式包含了三個成分系數(shù)之間著名的折中關(guān)系。在任何時間，這一價值主張主要都是受性能表現(xiàn)最好的功率器件所推動。因此，像GaNpowIR這類新器件在R*Qg方面雖然有顯著的改善，但成本只會有輕微增加，從而導(dǎo)致出現(xiàn)革命性的效率、密度和成本水平，又或者是三者之間的折中。我們現(xiàn)在便談?wù)勔恍〨aNpowIR幫助改進(jìn)密度和效率的例子。

圖4：持續(xù)的改進(jìn)保證了在GaNpowIR平臺推出后五年之內(nèi)，30V硅基片功率器件的Rds(on)*Qg FOM將會減少10倍。

我們在前面說過，基于GaN的功率器件有助大幅降低柵極電荷(Qg)，所以器件的開關(guān)FOM RDS(on)*Qg也較硅器件要低很多。圖4展示的模擬實驗結(jié)果推斷,低電壓(30V)GaN功率器件的R*Qg FOM將不斷改進(jìn)。按原型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)及改善進(jìn)程計劃，第一代硅基片GaN HEMT的RQ FOM將比目前最先進(jìn)的硅MOSFET卓越33%。到2014年，F(xiàn)OM數(shù)據(jù)更會低于5mΩ-nC，比新一代的MOSFET要先進(jìn)10倍。

圖5：這個GaN功率級藍(lán)圖顯示了圖6所示的改進(jìn)，對多相100A、12V到1.2V DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸和功率轉(zhuǎn)換效率的影響。

這對某個特定應(yīng)用的密度而言，意味著什么？圖5所示的服務(wù)器微處理器穩(wěn)壓解決方案的例子，表明其應(yīng)用改善藍(lán)圖與GaN改進(jìn)進(jìn)程(如圖4所示)并行。圖中顯示的為相關(guān)解決方案的占位面積和效率，這個案例能夠提供100A的電流，電壓則由12V轉(zhuǎn)換到1.2V。在2007年，當(dāng)時最佳的硅解決方案可以1.4平方英寸的面積提供85%的效率。而在不久前，GaNpowIR功率級則能夠在將頻率提升到5MHz的同時，將效率保持在相同水平。這意味著解決方案的尺寸可以減少一半，因為在更高的工作頻率下可以減少被動器件的數(shù)目并采用更小巧的電感器。到2011年，計劃中的GaN技術(shù)改善將可以把解決方案的尺寸進(jìn)一步減少，效率卻可以保持在相同的水平。從2012年開始，GaN技術(shù)的進(jìn)步將讓解決方案能夠采用更高的頻率，使它可以移近負(fù)載；當(dāng)?shù)搅?014年，還可以與微處理器和降壓轉(zhuǎn)換器協(xié)同封裝。系統(tǒng)寄生損耗(電感器、負(fù)載線等)隨著調(diào)節(jié)器的位置愈來愈接近負(fù)載而顯著下降。雖然轉(zhuǎn)換器效率停留在85%，但整體的系統(tǒng)效率卻因為寄生損耗減少而增加。總的來說，GaNpowIR的改進(jìn)預(yù)計可以讓整體解決方案的尺寸減少差不多十倍。

為了測試在不影響效率的情況下功率轉(zhuǎn)換密度的新水平，IR開發(fā)了一個配備GaN功率級的5MHz負(fù)載點(POL)轉(zhuǎn)換器原型。這個在5MHz進(jìn)行開關(guān)的GaN POL模組是為10A負(fù)載電流、12V輸入及1.8V(典型)輸出而設(shè)計，尺寸比目前典型商用解決方案的三分之一還要小，但效率卻還要高(見圖6)。這個可以全面運作的GaN 5MHz模塊占位面積僅為7mmx9mm，可是在10A負(fù)載下能夠達(dá)到86.5%的效率。

圖6：IR配備GaN功率級，在5MHz下運作的10A POL轉(zhuǎn)換器雛型，能夠提供與今天以1MHz開關(guān)的硅解決方案相約的效率，但尺寸則小于三分之一。

正如前面提到的，GaNpowIR使功率轉(zhuǎn)換效率邁向新水平。圖7便顯示GaN與現(xiàn)在的硅解決方案比較下，對12V:1.2V降壓轉(zhuǎn)換率的改善程度。對單相降壓轉(zhuǎn)換器來說，圖4展示的GaNpowIR R*Qg改進(jìn)藍(lán)圖代表了在2009年，新技術(shù)比典型的硅解決方案在峰值效率方面有超過3%的改善。按預(yù)計的改進(jìn)進(jìn)程，GaNpowIR將在5年內(nèi)提供94.5%效率，比現(xiàn)存解決方案改善了5%。在企業(yè)電源應(yīng)用方面，這代表了系統(tǒng)的運作成本可以大幅降低(因為電力耗用和散熱負(fù)載減少)，同時碳排放也會顯著減少。

圖7：GaNpowIR為同步降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用，例如筆記本電腦、服務(wù)器、DDR多種負(fù)載點轉(zhuǎn)換器，大幅提高效率，從而減少電力成本，并且有助保護(hù)地球。

同時，GaNpowIR也將為更高電壓下的功率轉(zhuǎn)換帶來革命。把實際量度的數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，采用5mm x 6mm封裝、200V額定值的GaN器件，其Rds(on)初期將比硅FET低最多3x，不過持續(xù)的改進(jìn)應(yīng)該使其性能在5年內(nèi)有10倍的改善。如圖8所示，這表示到了2014年，采用5mm x 6mm封裝的200V GaN開關(guān)，其Rds(on)將低于5mΩ，至于現(xiàn)在有相同限制的硅功率MOSFET，Rds(on)則為50mΩ。

圖8：到了2014年，200V硅基片GaN HEMT的RDS(on) 將會低于5 mΩ，比現(xiàn)在的硅MOSFET優(yōu)越10倍。

在更高電壓情況下，IR已經(jīng)證明了GaN整流器的反向恢復(fù)行為能夠與SiC相比。圖9便顯示GaN及SiC二極管擁有相同的低反向恢復(fù)特性(Irr) ，而且兩者都比最先進(jìn)的600V超高速硅二極管要低很多。因為沒有少數(shù)載流子，所以低反向恢復(fù)電流(Irr)變得非常重要。結(jié)果就是，GaN具有快速且安靜的開關(guān)性能，大大減少或免除了原本的濾波電路需求。因為在GaNpowIR平臺上，硅基片GaN擁有低成本，所以GaN二極管的生產(chǎn)成本可以低于SiC二極管。

圖9：GaN與SiC二極管有相擁同的低反向恢復(fù)特性，但兩者都要比最先進(jìn)的硅二極管要好得多。

總結(jié)

現(xiàn)在基于GaN的功率FET，例如由IR的GaNpowIR平臺所生產(chǎn)的產(chǎn)品，都已經(jīng)擁有比硅解決方案更好的性能，改善程度更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，情況就跟上世紀(jì)80、90年代的硅MOSFET一樣。新技術(shù)顯著提高了功率轉(zhuǎn)換密度、效率及成本效益。IR GaNpowIR平臺的開發(fā)目的，是為了將這些改進(jìn)商品化，從而提供性能和成本效益均超越現(xiàn)有水平的GaN功率轉(zhuǎn)換解決方案，帶來高品質(zhì)、高可靠性和適當(dāng)?shù)墓?yīng)水平。有關(guān)方面已經(jīng)開發(fā)了原型產(chǎn)品來展示早期GaN器件的效能。規(guī)劃改進(jìn)藍(lán)圖預(yù)期主要的FOM將有10倍的改善。整合式DC-DC功率級將成為首項相關(guān)產(chǎn)品，其他新產(chǎn)品也會陸續(xù)上市。