基于GaN的功率技術引發電子轉換革命

功率MOSFET出現之前，雙極性晶體管在功率電子領域一直占據主導地位，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已經注冊商標的HEXFET)，使功率電子領域發生了翻天覆地的變化。通過使開關電源更加小巧、輕便而且更有效率，功率MOSFET使市場快速接受開關電源。從那時起，MOSFET就成為很多應用的必選功率器件。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FET，硅MOSFET的性能指數所發生的巨大改善，而這些改善也使其能夠適用于不同的應用。

圖1：由HEXFET到TrenchFET及SJ FET，硅功率MOSFET已經經過了30年的演變，且在電源市場廣泛應用。然而，硅功率MOSFET現在已經接近成熟期。

然而最近，MOSFET開始進入到性能瓶頸期。正如圖1所示，硅功率晶體管已經接近成熟。就算工程人員努力希望硅功率FET可以再進一步，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開發了GaNpowIR這種革命性的基于GaN的功率器件技術平臺。這個平臺保證能夠比現在最先進的硅MOSFET帶來高十倍的FOM，而且它對很多不同應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預示該領域即將出現一個高頻率、高密度且符合成本效益的功率轉換解決方案新時代。

GaNpowIR技術：一個商用化平臺

如果想在功率應用上使用GaN技術，必須先選擇一種基片來形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍寶石晶圓，它們在成本、供應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和熱膨脹系數方面本質上不匹配，所以要完成可靠且有高品質的硅基片GaN異質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技術商用化的另一個障礙，是與晶圓制程相關的制造成本。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行自動化的運作程序。反之，GaNpowIR原本就是為在標準CMOS生產線上制造而設計，所以除了能夠降低成本，還確保了制程可以配合量產。

GaNpowIR一方面通過針對商用的量產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和耐用性的行業標準。為了勾劃出其故障模式，基于GaN的功率器件在不斷進行多種本質可靠性測試。而同時進行的傳統的產品品質認可測試，則可以確保IR的GaNpowIR器件能夠在其預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或以下的應用。擁有更高電壓額定值的器件將會在以后陸續推出。

圖2：硅基片GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結構的早期橫切面

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)，由于優質GaN表面上的A1GaN薄層的密切活動，自發而成的二維電子氣(2DEG)。因為這種器件是用備有高電子遷移率通道的HEMT進行建構，無需外施電壓也能夠導通，所以GaN HEMT通常都在導通狀態。

硅基片GaN的好處

由于集成了高傳導電子密度、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以數量級計改進潛能。今天的GaN FET其性能已經超越硅器件，同時隨著GaN FET進一步發展，兩者的距離將會愈來愈遠。

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

實現價值

簡單的功率級價值主張可以定義為：效率*密度/成本。這個表達式包含了三個成分系數之間著名的折中關系。在任何時間，這一價值主張主要都是受性能表現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，從而導致出現革命性的效率、密度和成本水平，又或者是三者之間的折中。我們現在便談談一些GaNpowIR幫助改進密度和效率的例子。

圖4：持續的改進保證了在GaNpowIR平臺推出后五年之內，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FOM RDS(on)*Qg也較硅器件要低很多。圖4展示的模擬實驗結果推斷,低電壓(30V)GaN功率器件的R*Qg FOM將不斷改進。按原型產品的數據及改善進程計劃，第一代硅基片GaN HEMT的RQ FOM將比目前最先進的硅MOSFET卓越33%。到2014年，FOM數據更會低于5mΩ-nC，比新一代的MOSFET要先進10倍。

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

這對某個特定應用的密度而言，意味著什么？圖5所示的服務器微處理器穩壓解決方案的例子，表明其應用改善藍圖與GaN改進進程(如圖4所示)并行。圖中顯示的為相關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轉換到1.2V。在2007年，當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目并采用更小巧的電感器。到2011年，計劃中的GaN技術改善將可以把解決方案的尺寸進一步減少，效率卻可以保持在相同的水平。從2012年開始，GaN技術的進步將讓解決方案能夠采用更高的頻率，使它可以移近負載；當到了2014年，還可以與微處理器和降壓轉換器協同封裝。系統寄生損耗(電感器、負載線等)隨著調節器的位置愈來愈接近負載而顯著下降。雖然轉換器效率停留在85%，但整體的系統效率卻因為寄生損耗減少而增加。總的來說，GaNpowIR的改進預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換密度的新水平，IR開發了一個配備GaN功率級的5MHz負載點(POL)轉換器原型。這個在5MHz進行開關的GaN POL模組是為10A負載電流、12V輸入及1.8V(典型)輸出而設計，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負載下能夠達到86.5%的效率。

圖6：IR配備GaN功率級，在5MHz下運作的10A POL轉換器雛型，能夠提供與今天以1MHz開關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使功率轉換效率邁向新水平。圖7便顯示GaN與現在的硅解決方案比較下，對12V:1.2V降壓轉換率的改善程度。對單相降壓轉換器來說，圖4展示的GaNpowIR R*Qg改進藍圖代表了在2009年，新技術比典型的硅解決方案在峰值效率方面有超過3%的改善。按預計的改進進程，GaNpowIR將在5年內提供94.5%效率，比現存解決方案改善了5%。在企業電源應用方面，這代表了系統的運作成本可以大幅降低(因為電力耗用和散熱負載減少)，同時碳排放也會顯著減少。

圖7：GaNpowIR為同步降壓穩壓器應用，例如筆記本電腦、服務器、DDR多種負載點轉換器，大幅提高效率，從而減少電力成本，并且有助保護地球。

同時，GaNpowIR也將為更高電壓下的功率轉換帶來革命。把實際量度的數據與預測數據相結合進行分析，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，不過持續的改進應該使其性能在5年內有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，其Rds(on)將低于5mΩ，至于現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，比現在的硅MOSFET優越10倍。

在更高電壓情況下，IR已經證明了GaN整流器的反向恢復行為能夠與SiC相比。圖9便顯示GaN及SiC二極管擁有相同的低反向恢復特性(Irr) ，而且兩者都比最先進的600V超高速硅二極管要低很多。因為沒有少數載流子，所以低反向恢復電流(Irr)變得非常重要。結果就是，GaN具有快速且安靜的開關性能，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特性，但兩者都要比最先進的硅二極管要好得多。

總結

現在基于GaN的功率FET，例如由IR的GaNpowIR平臺所生產的產品，都已經擁有比硅解決方案更好的性能，改善程度更遠遠超過預期，情況就跟上世紀80、90年代的硅MOSFET一樣。新技術顯著提高了功率轉換密度、效率及成本效益。IR GaNpowIR平臺的開發目的，是為了將這些改進商品化，從而提供性能和成本效益均超越現有水平的GaN功率轉換解決方案，帶來高品質、高可靠性和適當的供應水平。有關方面已經開發了原型產品來展示早期GaN器件的效能。規劃改進藍圖預期主要的FOM將有10倍的改善。整合式DC-DC功率級將成為首項相關產品，其他新產品也會陸續上市。