氮化镓的时代来临了吗生存

无论是产品、通讯硬体、电动车(EV)或家用电器，工程师正面对严格的要求，必须提升电源转换效能、提高功率密度水准、延长电池使用时间以及加快开关速度。这一切皆意味着电子产业将会变得越来越依赖于新型的功率半导体，采用不再以硅(Si)为基础的制程技术。随着容量可能达到前所未有的性能基准，氮化镓(GaN)正成为一项新兴的制程技术，影响电力电子系统设计的未来发展。

过去十年来，GaN已在多个产业领域发生了重大影响；在光电方面，它对于高亮度发光二极体(HB LED)的发展和量产发挥重要作用。在无线通讯方面，它已被用于如高电子迁移率电晶体(HEMT)和单片微波晶片(MMIC)等高功率射频(RF)设备。如今在功率应用中，GaN的广泛采用带来了巨大潜力。根据Yole Developpement预测：到2020年GaN功率元件业务每年价值约6亿美元。

为证实Yole对市场的评估之正确性，要达到这样一个数字，未来五年须看到100%的年复合成长率(CAGR)。然而，在其成为现实前还有无数的挑战尚待解决。本文将探讨为确保GaN的广泛采用，应该采取什么措施。。

对于GaN的所有兴趣从何而来？

最近一些业界动态让GaN得到比以前更认真的看待。电源系统设计正面临更大的空间限制。例如，在消费电子领域，用于可携式产品的充电器的紧密度正不断地精简中。同样地，资料中心的机架也变得越来越拥挤。因此，必须增加功率密度和提升电源转换效能，以便伴随功率IC的散热机件不占用太多空间。这导致了功率MOSFET的需求增加，以便能用更快的开关速度作业。

目前的半导体制程技术绝大多数依赖于硅基底。硅制程作为电子业的基础已有几十年。在此期间，虽然进行高效能电源转换的方法绰绰有余，但即将不足的情况正迅速逼近；摩尔定律越来越接近其实体极限，将来这一切可预期的是硅性能将会更不明确的渐进式改善。鉴于我们似乎注定要生活在一个对能源越来越渴求的社会，必须进一步研究可替代的半导体技术。

图1：在功率密度应用中使用GaN的潜在进展

那么，使用GaN有什么好处？

硅功率元件现正开始达到一个阶段，主要的性能改进将被抑制。从这得出的结论是，硅支援更进一步的技术改进能力正被减弱。现在实际需要的是颠覆性的东西。

正如已被讨论的，功率半导体必须能提供一些优势组合，如高电源转换效能、高功率密度/紧密的尺寸、快速开关，以及成本效益。

根据IC的特定用途，图中的某些属性将比其他更重要。GaN极其适合满足上述所有标准 其中有些现在就可以达到，而其他在未来也能实现。

在任何电源系统设计中，某种程度的电源转换损耗是肯定的，但由于宽频间隙，GaN明显比硅表现出更低的损耗，这也意谓着更好的电源转换效能。因为GaN片可比等效的硅片更小，使用此技术的元件可被置于尺寸更小的封装规格中。由于其高流动性，GaN在用于要求快速开关的电路中效能极高。图1显示GaN HEMT元件的实体结构以及它如何相似于现有的MOSFET技术。GaN中的侧向电子流同时提供低导通损耗(低导通阻抗)和低开关损耗。而且，提高的开关速度也有助于节省空间，因为电源电路所含被动元件可以更少，配套的磁性元件中使用的线圈可以更小。此外，GaN提供的更高的电源转换效能意味着更少的散热量 缩小了需要分配给热管理的空间。

图2：GaN与硅制造制程之间的相似性