半導體大佬撐腰之下 GaN功率半導體能取代MOSFET？

　　問題在于，超級結技術在大約九百伏左右時就遭遇了天花板，而IGBT則困擾于開關速度慢的缺點。Wavetek銷售和市場部高級經(jīng)理Domingo Huang表示：“在過去三十年中，硅基MOSFET成為大多數(shù)功率電子設備應用中功率器件的首選。然而，下一代和新興的應用要求進一步大幅提高功率轉換性能，而硅基FET器件正在接近其物理特性的極限。”

　　這就是為什么業(yè)界對兩種寬帶隙解決方案-碳化硅和氮化鉀-感興趣的原因。寬帶隙指的是電子從其軌道脫離所需的能量大小，也是決定能夠自由移動的電子的質(zhì)量的一個參數(shù)。

　　GaN的帶隙為3.4電子伏特(eV)，SiC的帶隙為3.3eV，相比之下，硅的帶隙只有1.1eV。

　　通常，在功率領域中，GaN基功率半導體用于30伏至650伏的應用，而SiC FET用于600伏到10千伏的系統(tǒng)。

　　那么600伏和1200伏電壓區(qū)段的最佳技術是什么?這取決于具體要求和成本。全球最大的功率半導體供應商英飛凌的GaN應用經(jīng)理Eric Persson說：“我們并不真正覺得GaN和超級結功率MOSFET是互相競爭的?！庇w凌銷售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技術的功率器件。

　　“如果你需要使用超級結來滿足你的要求，那么就使用它。你轉向GaN的唯一原因是GaN更便宜或者應用需要更高的密度或效率，即在不犧牲效率的情況下實現(xiàn)更高的頻率，”Persson說。“我們認為，GaN將主要在600伏應用中占主導，而到了1200伏區(qū)間，我們相信碳化硅MOSFET代表了它的未來。”

　　隨著時間的推移，這些技術將開始互相重疊?！霸谥丿B區(qū)間，由成本等特定的標準決定使用哪種技術。這也歸結于這個應用是一個成本驅(qū)動的設計，還是一個性能和密度驅(qū)動的設計。這個灰色重疊地帶將隨著時間的推移和生產(chǎn)的成熟度而變化。”他說。

　　什么是GaN?

　　可以肯定的是，GaN基功率半導體不會在一些制造和生產(chǎn)存在挑戰(zhàn)的領域占據(jù)主導地位。在整個工藝流程中，GaN器件是從硅襯底開始制造的，先在硅襯底上生長氮化鋁(AlN)層，然后使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在AlN層上生長GaN。AlN層用作襯底和GaN之間的緩沖層。

　　應用材料公司技術營銷和產(chǎn)品戰(zhàn)略總監(jiān)Ben Lee在一篇博客中提道：“這些(寬帶隙)襯底的挑戰(zhàn)在于它極其昂貴，而且難以制造。與硅襯底相比，GaN襯底通常為6英寸或更小。有些是8英寸，但供應相當有限。SiC襯底現(xiàn)在正在采用的是六英寸?！?/p>

　　還有其它一些問題。“對于GaN而言，由于GaN和硅之間存在晶格失配，所以必須要用AlN緩沖層，”Lee說?！斑@些緩沖層非常重要，需要進行調(diào)諧以幫助最小化電荷陷阱?！?/p>

　　因此，業(yè)界必須繼續(xù)解決這些問題?！?目標是)解決這些固有的挑戰(zhàn)，如晶格失配、熱膨脹系數(shù)不同，以及能夠適應垂直電壓跌落的較厚的緩沖層?！盬avetek的Huang說。

　　在元器件方面，EPC表示，傳統(tǒng)的耗盡型GaN芯片在操作中為“常開”狀態(tài)，因此必須先施加負偏壓。如果沒有這么設計，系統(tǒng)將發(fā)生短路，這使得它們不適合許多應用。

　　因此，供應商已經(jīng)從耗盡型器件轉移到增強型器件。這些器件對于OEM更為理想，通常是關斷狀態(tài)，直到電壓施加到柵極后才會打開。

　　不過，問題依然很清楚-客戶會購買這些元件嗎?GaN確實很有前途，但行業(yè)傾向于固守如功率MOSFET這種更熟悉的技術。IHS的分析師稱：“供應商們需要進行廣泛且有效的教育活動，以向客戶解釋為什么使用以及如何充分利用GaN技術。”

　　最近，GaN器件供應商正在解決一些其他問題?！皹I(yè)界仍然存在誤解，認為GaN器件比MOSFET貴，”EPC的Lidow說?！耙肱まD人們的這種誤解需要一定的時間，但人們確實正在更正這種印象。EPC于2015年5月開始以相當于或者低于MOSFET的價格向大批量應用供應GaN器件?！?/p>

　　應用

　　價格降下來之后，反過來使得GaN對于數(shù)據(jù)中心和電信設備的供電電源這些應用更加具備吸引力，事實上，數(shù)據(jù)中心運營商面臨大量挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)便是降低這些巨型設施的功耗。

　　有若干種方法可以解決這個問題。Google采用的方法是，在其數(shù)據(jù)中心中采用48V供電的機架架構，要比目前的12V技術節(jié)能30%。

　　通常情況下，機架由服務器和電源組成?！斑@些機架的功率大概在50千瓦或60千瓦左右，他們希望把它進一步推高到80或者90千瓦。這個功率數(shù)字很大，可是他們還希望在同樣的空間體積下實現(xiàn)這么高的功率，”英飛凌的Persson說?！八麄兿Ｍ麑崿F(xiàn)最高的效率，端到端的效率大約到98%這個級別?！?/p>

　　這么大的功率，這么高的效率，電源就變得至關重要了。電源可能包括轉換器、功率因數(shù)校正單元(PFC)。PFC能夠保證系統(tǒng)以最大效率運行。