無論是消費電子產品、通訊硬件、電動車還是家用電器，提升電源轉換能效、提高功率密度水平、延yan長chang電dian池chi使shi用yong時shi間jian和he加jia快kuai開kai關guan速su度du這zhe些xie日ri益yi嚴yan格ge的de要yao求qiu正zheng擺bai在zai工gong程cheng師shi麵mian前qian。所suo有you這zhe一yi切qie都dou意yi味wei著zhe電dian子zi產chan業ye定ding會hui變bian得de越yue來lai越yue依yi賴lai於yu新xin型xing的de功gong率lv半ban導dao體ti
，采cai用yong不bu再zai以yi矽gui(Si)為基礎的新的工藝技術。隨著容量將可能達到前所未有的性能基準
，氮化镓(GaN)現作為一個新興的工藝技術，將影響電源係統設計的未來發展。

 

過去十年，GaN已在多個行業領域產生了重大影響，在光電方麵它已對高亮發光二極管(HBLED)的發展和增殖發揮重要作用
，在無線通訊方麵它已被用於高功率射頻(RF)設備如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)。現在在電源應用中廣泛采用GaN有著巨大的潛力。行業分析Yole Research預測：到2020年GaN功率器件業務每年當值約6億美元。

 

為證實Yole對市場的評估是正確的
，必須達到這樣一個數字，未來5年要看到100%的年複合增長率(CAGR)。然而，在那成為現實前還有無數的挑戰有待解決。本文我們將看看采取什麼措施以確保GaN的廣泛采用。

 

 

最近有一些動態令GaNdedaobiyiqiangengrenzhendeshenyi。dianyuanxitongshejizhengjingshougengdadekongjianxianzhi。liru，zaixiaofeidianzilingyu，yongyubianxiechanpindechongdianqidejincouduzhengbuduandedaojingjian。tongyang
，shujuzhongxindejijiazhengbiandeyuelaiyueyongji。yinci

，bixuzengjiagonglvmiduhetishengdianyuanzhuanhuannengxiao，zaibuzhanyongtaiduokongjiandetongshiquebaoqigonglvIC的散熱機製。這導致了功率MOSFET的需求增加

，以更快的開關速度工作。

 

目(mu)前(qian)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)依(yi)賴(lai)於(yu)矽(gui)基(ji)底(di)。矽(gui)工(gong)藝(yi)作(zuo)為(wei)電(dian)子(zi)業(ye)的(de)基(ji)礎(chu)已(yi)有(you)幾(ji)十(shi)年(nian)，在(zai)此(ci)期(qi)間(jian)
，雖(sui)然(ran)進(jin)行(xing)高(gao)能(neng)效(xiao)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)的(de)方(fang)法(fa)綽(chuo)綽(chuo)有(you)餘(yu)，但(dan)即(ji)將(jiang)不(bu)足(zu)的(de)時(shi)代(dai)正(zheng)迅(xun)速(su)逼(bi)近(jin)。摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)越(yue)來(lai)越(yue)接(jie)近(jin)其(qi)物(wu)理(li)極(ji)限(xian)，將(jiang)來(lai)這(zhe)一(yi)切(qie)可(ke)真(zhen)的(de)是(shi)預(yu)期(qi)的(de)矽(gui)性(xing)能(neng)的(de)不(bu)明(ming)顯(xian)的(de)漸(jian)進(jin)式(shi)改(gai)善(shan)。鑒(jian)於(yu)我(wo)們(men)注(zhu)定(ding)要(yao)生(sheng)活(huo)在(zai)一(yi)個(ge)對(dui)能(neng)源(yuan)越(yue)來(lai)越(yue)渴(ke)求(qiu)的(de)社(she)會(hui)，必(bi)須(xu)研(yan)究(jiu)可(ke)替(ti)代(dai)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)。

圖：在功率密度應用中使用GaN的潛在改善

 

 

guigonglvqijianxianzhengkaishidadaoqixingnenggaijinbeiyizhidejieduan，bukebimiandejielunshilaiziguijinyibuzhichidejishuyanjindenenglizhujianjianruo。xianzaimingquedixuyaoshizhishangdejuyoudianfuxingdejishu。

 

正如已經談到的，功率半導體必須能提供以下性能組合：

 

1. 高電源轉換能效

 

2. 高功率密度/緊湊的尺寸

 

3. 快速開關

 

4. 成本效益

 

根據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準—一些現在就可以做到
，另一些在將來也能實現。

在任何電源係統設計中，某種程度的電源轉換損耗將是固定的
，但由於其寬帶隙
，GaN明顯比矽表現出更低的損耗，即更好的電源轉換效率。因為GaN片可比等效的矽片更小，基於此技術的器件可被置於尺寸更小的封裝規格中。由於其高流動性
，GaN在用於要求快速開關的電路中能效極高。圖2顯示了GaN HEMT器件的物理結構和它如何類似於現有的MOSFET技術。GaN中的側向電子流同時提供低導通損耗（低導通阻抗）和(he)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。而(er)且(qie)
，提(ti)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)，因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)所(suo)含(han)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)可(ke)以(yi)更(geng)少(shao)，配(pei)套(tao)的(de)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)線(xian)圈(quan)可(ke)以(yi)更(geng)小(xiao)。此(ci)外(wai)，GaN提供的更高的電源轉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。

圖：GaN與矽製造工藝之間的相似性

 

 

正如我們已看到的
，GaN具有一些關鍵特性與矽區別開來，並令它特別適合電源應用。然而，到目前為止，GaN作zuo為wei一yi個ge功gong率lv器qi件jian材cai料liao的de進jin展zhan緩huan慢man。像xiang過guo去qu被bei開kai發fa的de其qi它ta半ban導dao體ti技ji術shu一yi樣yang，需xu要yao花hua費fei時shi間jian來lai達da到dao一yi個ge成cheng熟shu狀zhuang態tai。對dui任ren何he芯xin片pian技ji術shu在zai整zheng體ti上shang同tong時shi提ti供gong高gao程cheng度du的de均jun勻yun性xing和he重zhong複fu性xing的de能neng力li是shi至zhi關guan重zhong要yao的de，而er以yi前qian這zhe是shiGaN的問題點。由於GaN生(sheng)產(chan)的(de)低(di)良(liang)率(lv)
，矽(gui)能(neng)提(ti)供(gong)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)而(er)蓋(gai)過(guo)其(qi)性(xing)能(neng)的(de)不(bu)足(zu)。這(zhe)令(ling)矽(gui)在(zai)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)生(sheng)產(chan)中(zhong)維(wei)持(chi)其(qi)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)
，一(yi)直(zhi)以(yi)來(lai)關(guan)於(yu)GaN的製造工藝正被改善，以呈現更高良率，以及現正被證實的更高的可靠性。

 

GaN處於有利地位，可從已為矽器件到位的製造設施中受益。隻需使用相同的設備
，添加幾個簡單的工藝步驟

，就可應用於現有的6英寸和8英寸的CMOS矽製造工藝
，而且，一旦容量需求成為必要，可擴展至12英寸工藝。

 

隨著標準的CMOS矽製造轉為更大尺寸的晶圓
，對傳統的最初用於矽器件的製造設施繼續工作是一個真正的機會（否則會變得多餘）。這意味著舊的芯片生產基地通過切換輸出氮化镓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年代初為矽基IC所做的那樣，市場將滾雪球——GaN的需求增加將導致更多的產量和更低的單位成本。

 

未來幾年，GaN將(jiang)不(bu)再(zai)被(bei)看(kan)作(zuo)小(xiao)生(sheng)態(tai)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)，僅(jin)僅(jin)簡(jian)單(dan)地(di)在(zai)較(jiao)小(xiao)的(de)製(zhi)造(zao)場(chang)地(di)和(he)實(shi)驗(yan)室(shi)製(zhi)造(zao)，而(er)是(shi)將(jiang)成(cheng)為(wei)商(shang)業(ye)可(ke)行(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，可(ke)通(tong)過(guo)大(da)規(gui)模(mo)方(fang)案(an)生(sheng)產(chan)器(qi)件(jian)從(cong)而(er)能(neng)達(da)到(dao)與(yu)矽(gui)一(yi)致(zhi)的(de)價(jia)位(wei)。自(zi)去(qu)年(nian)9月以來，安森美半導體一直與Transphorm合作，攜手將GaN技術引入市場。通過結合Transphorm無與倫比的GaN專業知識和安森美半導體的專長
、寬廣的知識產權陣容及量產經驗，兩家公司將能將功率器件引入市場實現下一代應用。

 

總之，我們的電力需求超越了長期的半導體技術，而且必須做些什麼來解決這個問題。當應用於電源係統設計，GaN有能力使性能發生巨大的改善而超越矽器件可實現的性能。因此它必定在電力電子的新時代發揮巨大的作用——向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開關速度的器件。得益於技術的重大改進

，將有可能降低GaN生產的費用。因此我們現在處於這樣一個階段
，GaN終於可被看作一種準備量產的工藝技術。