新型材料——氮化鎵起源和發展

作者：王傳聲

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GaN是一種能用於生產半導體功率器件以及RF器件和發光二極體（LED）新型材料。GaN已展示出能夠取代Si半導體在電源轉換、RF和模擬應用的能力。

自電子100多年前出現以來，電源設計工程師一直在追求完美的開關電源，一種能快速並有效地把原電能轉換成受控的、有用的電子流開關。先是誕生了真空管，但效率不高。它產生的熱能就可證明這一點，而且其大體積和高成本限制了其最終使用。接著到上世紀50年代末期，晶體管獲得廣泛使用，它憑藉著小體積和上乘的效率有望成為「聖杯」，並迅速取代真空管，同時創造了真空管技術無法達到的新的巨大市場。

Si晶體管和電子時代

Si快速成為半導體晶體管的首選材料，不僅是因為其本質上優越的電性能，也是因為其製造成本遠比真空管要低。Si晶體管以及後來集成電路的疾速發展一直持續到上世紀70年代至80年代。「摩爾定律」要求約每18個月晶體管性能加倍的同時降低成本，同步催生了性能更高的新產品，更使消費者驚喜的是降低了成本。對於電源轉換來說，Si基功率MOFET正是GaN應用上升的核心。

至於真空管，Si功率MOSFET現在已走到性能提高和成本持續下降的盡頭。慶幸的是，對於無限快速開關速度，沒有電阻和成本更低的完美開關的追求從未停止，基於新型本體材料製造的高性能電源轉換晶體管和集成電路已經出現了。

GaN半導體的興起

把電子性能提升到下一級並且重新激活摩爾定律正能量的首選材料正是GaN。GaN傳導電子的效率比Si快1000多倍，同時製造成本也比已經成熟的Si低。Si已走到盡頭，一種新的高性能半導體材料正在出現，GaN正在興起。

幸運的是，製造GaN電路的成本低於製造MOSFET器件的成本，因為GaN是在現有的傳統Si片半導體工廠採用標準的Si片生產工藝製造的，最後生產出來的電路體積小於同等性能的Si片電路。由於單個器件小於Si片電路，每個圓片上就能生產出更多的GaN電路，製造GaN電路成本總是低於Si片電路。隨著GaN技術的進步，成本差距會逐漸加大。

GaN時代進行中

隨著GaN材料實現了晶體管和IC性能的提高，現在正是電源設計工程師創新應用GaN特性的時候。

（1）低電阻使得傳導損耗降低；

（2）高速電路使得開關損耗減少；

（3）低電容造成電路充電和放電時損耗降低；

（4）電路驅動所需要的功率減少；

（5）電路體積更小，佔用印製電路板空間少；

（6）成本更低。

35年前，Si功率MOSFET取代雙極晶體管，被選為半導體電源轉換的電路，在當時產生了120億美元市場。這種轉變動力使人們認識到有四個主要因素影響著一種新的電源轉換技術的採用率。

（1）能否產生重大的新應用？

（2）是否容易採用？

（3）對用戶是否具備成本效益？

（4）是否可靠？

自GaN作為更優良的性能替代被引入到半導體工業的幾年裡，半導體工業發生了很多變化。GaN替代了替代功率MOSFET的地位。但是，為了讓它當上半導體技術的龍頭老大，研發人員必須使它滿足這四個要求才能佔據這個領先地位。我們來分析一下這四個要求，看看GaN是如何應對這些挑戰。

（1）能否產生重大的新應用？

GaN集成電路比最好的Si片MOSFET速度快很多，體積卻小很多。

現在商用eGaN FET和IC優於現在的Si片5至50倍。這種性能上的跨越所產生的新應用在GaN技術來臨之前是不可能的。但是eGaN FET做到了。事實上，任何一家製造商生產的GaN晶體管離GaN理論上性能值還有幾個數量級差距。前面有條學習曲線，只會加大GaN和Si片之間的性能差距，並持續產生新的應用，改變整個終端市場。

（2）是否容易採用？

GaN晶體管（特別指eGaN FET）在性能上非常類似於老化的功率。

MOSFET，電源系統設計師無需參加額外培訓就能運用其設計經驗。為了協助設計工程師跟上學習曲線，EPC公司在普及教育GaN電路及其應用方面確立了領先者地位。EPC出版了第一本GaN晶體管教科書《高效功率轉換的GaN晶體管》。第二版已由J. Wiley於2015年出版。最近，EPC公司又出版了兩本針對應用的手冊，進一步幫助DC/DC變換和無線功率轉化系統設計師應用GaN。EPC正在聯手世界60多所大學為下一代高技能電源系統設計師獲得GaN技術知識方面打下基礎。

（3）對用戶是否具備成本效益？

EPC公司的GaN晶體管和IC是採用類似於Si片功率的MOSFET工藝生產的，但生產工藝比MOSFET少很多，每個生產批可製造的電路更多，這是因為GaN電路比其他Si片電路要小很多。此外，低壓（＜500V）GaN電路不需要高成本的封裝來保護其電路。單就這一封裝優勢就能削減一半的製造成本，加之製造成品率高、電路體積小，最後使EPC公司生產的GaN晶體管成本低於同等（但性能更低）的Si片功率MOSFET。現在設計師甚至不需要利用高性能的GaN就能在其系統上降低成本。

（4）是否可靠？

迄今為止，有幾家GaN晶體管製造商已報道其應力測試結果良好。EPC已連續發表可靠性報告，其中的第8份報告（發表於2016年7月）表示，800萬小時應力測試後，GaN晶體管沒有失效。

第7份可靠性報告（發表於2016年3月）記錄了過去六年時間跟蹤器件170億小時後的試驗結果。數據說明這些GaN FET是晶元級器件沒有出現封裝的半導體常見的失效模式。每10億個電路每小時僅有0.24次失效。毫無疑問，eGaN FET適用於MOSFET應用的任何領域。

結論

GaN取代Si片MOSFET四個必要特徵已經實現。開關速度、縮小體積、競爭成本和高可靠性給予GaN晶體管在功率轉換應用中取代Si片MOSFET的「獲勝優勢」。同樣有專家分析指出，不久的將來，採用GaN技術就能實現功率IC和模擬IC，或許在3-5年里就能實現數字IC。GaN是一項相對嶄新的技術，已經登上學習曲線的征途了。這就是為什麼要選擇GaN的原因。

GaN的發展方向

在功率轉換領域，Si片技術氣數已盡，GaN技術正在朝著開關速度更快、體積更小、效率更高、至今為止成本更低的方向發展。GaN正在改變我們生活方式！

（1）自動車/增強現實（AR）

有一項應用非常令人激動，即未來的無人駕駛車或稱自動車。仔細看就會發現，在自動車頂部有一個LiDAR（激光探測並測距）系統在給車輛提供「眼睛」。LiDAR系統電路快速發出操縱光束並記錄光束返回所需的時間，在車輛四周形成一個360度三維圖像。激光束傳遞速度越快，LiDAR系統探測繪圖或物體位置的解析度越高。LiDAR系統的核心就是GaN技術。該技術能使激光信號的發射速度比在Si片電路中更快。

LiDAR技術同樣正被設計應用在增強現實（簡稱AR）的頭戴式產品上，給用戶提供三維實時圖像。除了我們現在看到的遊戲之外，增強現實還能給予士兵發現遠距離敵人的能力，就如敵人站在你面前一樣。敵軍後方的圖像也可採用裝備LiDAR系統的無人機來拍攝。雷神公司研究人員發現，GaN可以做成體積很小但威力很大的光圈，適合被安裝在美海軍驅逐艦上，既降低重量，又減少能耗。GaN的擊穿電壓很高，能夠實現很大的功率密度。在民用方面，增強現實頭戴式產品可用於拍攝世界任何地方的三維實時圖像。

由於LiDAR系統快速、精確、計算很少就能形成一個三維數字圖像，LiDAR技術也被應用在最先進的機器人製造上，這些機器人利用LiDAR系統作為其「眼睛」。

無線電源的出現是GaN另一個被認為能夠實現的應用。電線不再需要了，剪掉電線就好了。無線充電手機已經面市，筆記本、計算機，甚至移動推車上的醫療儀器無線充電都已為期不遠。汽車中心控制台不僅將成為手機無線充電的電力來源，而且不久也將成為整個汽車信息娛樂系統和導航系統電力的來源。最後，整個家庭都能裝上發射器和中繼器，給電燈、電視和其他家用電器進行無線充電。GaN晶體管在支撐著這些正在快速興起並令人激動的應用，同時正在改變著我們的生活方式！

（2）醫療電子技術

醫療對體積要求很高。最好的示例就是把GaN器件用在一台小型X光機上。X光機大小如藥丸一樣，可用於結腸鏡檢查。藥丸經過消化道時會攝取圖像，X光裝置上的數字信息就會被無線發射給病人體外的接收機，供醫師診斷。對病人來說，檢查更為方便，對醫師來說，看到的結腸成像解析度更高。在該應用中，GaN極小體積和快速開關是給藥丸里的X光裝置充電的關鍵。

MRI（核磁共振成像）機器也在利用GaN優越的性能獲得10-100倍高解析度，這樣就能花錢較少且更早更準確地發現癌症和其他痼疾。

GaN晶體管製成的無線電源可用於給可移植型醫療裝置充電，如心臟泵和糖尿病人所需要的止疼閃爍劑，從而使得病人的身體無需接線凸出來，而這些線很容易造成感染。GaN在醫療應用上有用武之地，而我們也只是剛開始發現並運用這些創新成果。

數據中心伺服器

雲增長正推動著數據中心的增加，而後者是能源消耗大戶。降低能耗方法之一是當把數據中心輸入端電源提供給最終負載點時消除整個一級電源轉換。電源轉換通常分二級進行，從背板的48V到處理板上分布的12V，最終能到電源啟動數字晶元的實際只有1V。GaN具有的轉換速度高，體積小和效率高的有點，可以使電源設計師直接把48V轉換到負載點所需要的1V範圍，而不需要中間停靠點12V。這種單級架構的節能潛力很大，需要快速增加計算功率和數據中心來支撐雲結構。

抗輻射和空間應用

GaN已在空間應用，這也是其必然被應用到的領域，因為GaN本身就具有抗輻射功能，而Si器件需要特殊的工藝和封裝技術來保護半導體不受輻射影響。GaN的天然特性使其相對免疫於這些有害輻射。GaN晶體管應用於離子推進器，用於轉換衛星上太陽能板的功率，還能利用LiDAR技術用在測距領域。GaN除了能在惡劣環境下存在之外，體積小和效率高的特性使其吸引了空間領域的應用。

未來展望

GaN作為一門技術還處於萌芽發展階段，相比已應用了70多年的Si電路，只是在最近幾年才開始商用。如上所述，利用其優異效率、轉換速度和體積優勢的應用產品已經問世。隨著GaN性能逐年提高、技術應用更加廣泛，其未來發展前景不可估量。

無疑，GaN正在改變我們的生活方式！

電科芯雲

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