基于GaN的功率技术引发电子转换革命

基于GaN的功率技术引发电子转换革命

功率MOSFET出现之前，双极性晶体管在功率电子领域一直占据主导地位，而且线性供电支配着整个电源世界。但是，30年前第一批商用化硅MOSFET的推出(包括IR已经注册商标的HEXFET)，使功率电子领域发生了翻天覆地的变化。通过使开关电源更加小巧、轻便而且更有效率，功率MOSFET使市场快速接受开关电源。从那时起，MOSFET就成为很多应用的必选功率器件。几十年过去了，MOSFET也在不断演变。图1展示了由平面HEXFET到TrenchFET和超结FET，硅MOSFET的性能指数所发生的巨大改善，而这些改善也使其能够适用于不同的应用。

图1：由HEXFET到TrenchFET及SJ FET，硅功率MOSFET已经经过了30年的演变，且在电源市场广泛应用。然而，硅功率MOSFET现在已经接近成熟期。

然而最近，MOSFET开始进入到性能瓶颈期。正如图1所示，硅功率晶体管已经接近成熟。就算工程人员努力希望硅功率FET可以再进一步，也只会事倍功半。

为了满足市场对功率MOSFET不断增长的需求，IR开发了GaNpowIR这种革命性的基于GaN的功率器件技术平台。这个平台保证能够比现在最先进的硅MOSFET带来高十倍的FOM，而且它对很多不同应用来说都有极大的潜能。如同30多年前的硅功率MOSFET一样，IR专有的硅基GaN外延工艺和器件制造技术预示该领域即将出现一个高频率、高密度且符合成本效益的功率转换解决方案新时代。

GaNpowIR技术：一个商用化平台

如果想在功率应用上使用GaN技术，必须先选择一种基片来形成GaN层。不论是块状GaN、SiC或者是蓝宝石晶圆，它们在成本、供应量及尺寸方面都有缺点。虽然从前硅是最吸引的低成本基片，但使用也有困难，例如会形成瑕疵及变形。因为基片与外延膜之间在晶格常数和热膨胀系数方面本质上不匹配，所以要完成可靠且有高品质的硅基片GaN异质外延工艺程序一向都很困难。工程人员非常努力地寻找能够解决这些问题的控制程序和方法，最终开发了一种拥有低不良率，高一致性及器件可靠性的外延膜。IR的GaNpowIR平台就在低成本的150mm直径硅晶圆上沉积大量的GaN物料。

GaN技术商用化的另一个障碍，是与晶圆制程相关的制造成本。早期的GaN制造都涉及昂贵的程序，例如金沉积，又或者是那些不能进行自动化的运作程序。反之，GaNpowIR原本就是为在标准CMOS生产线上制造而设计，所以除了能够降低成本，还确保了制程可以配合量产。

GaNpowIR一方面通过针对商用的量产来确保更卓越的性价比，另一方面也可以满足针对器件品质和耐用性的行业标准。为了勾划出其故障模式，基于GaN的功率器件在不断进行多种本质可靠性测试。而同时进行的传统的产品品质认可测试，则可以确保IR的GaNpowIR器件能够在其预定的工作寿命期间可靠运作。

首个上市的型号将是采用30V额定值的GaN晶体管，集成封装DC-DC功率级，适用于由典型12V降压到1V或以下的应用。拥有更高电压额定值的器件将会在以后陆续推出。

图2：硅基片GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构的早期横切面

如图2所示，基本的硅基片GaN功率器件是一种高电子迁移率晶体管(HEMT)，由于优质GaN表面上的A1GaN薄层的密切活动，自发而成的二维电子气(2DEG)。因为这种器件是用备有高电子迁移率通道的HEMT进行建构，无需外施电压也能够导通，所以GaN HEMT通常都在导通状态。

硅基片GaN的好处

由于集成了高传导电子密度、高电子迁移率和更高带隙，所以基于GaN的功率HEMT可在指定的反向耐压下大幅降低器件的通态电阻RDS(on)。图3便显示了在不同额定电压下所计算出来的Si、SiC和GaN物理极限曲线。

图3：把指定的通态电阻FOM与反向耐压额定值制成图表，计算出来的Si、SiC和GaN的物理极限显示了GaN以数量级计改进潜能。今天的GaN FET其性能已经超越硅器件，同时随着GaN FET进一步发展，两者的距离将会愈来愈远。

大家可以看到GaN的通态电阻比Si和SiC都要小十倍以上。除了超结FET、IGBT这些为较低FOM而牺牲了开关性能及工序复杂性(成本)的器件之外，硅MOSFET在历经30年发展之后，可以说已经接近或来到了它的物理极限。近来，基于SiC的功率FET的性能数据已经在文献上公开。与硅相比，它们看起来能够提供更好的通态电阻，不过仍有改善的空间。基于GaN的FET已发布的性能表现同样比硅好，而且这种物料距离其材料极限还很远，未来可以有很大的进步。假如生产成本够低，极具吸引力的性价比将驱使市场用基于GaN的功率MOSFET来代替基于硅的产品。这正是IR开发GaNpowIR平台的理由。我们可以根据相关程度为每个应用选出数个性能指数来作性能衡量的凭证。

实现价值

简单的功率级价值主张可以定义为：效率*密度/成本。这个表达式包含了三个成分系数之间著名的折中关系。在任何时间，这一价值主张主要都是受性能表现最好的功率器件所推动。因此，像GaNpowIR这类新器件在R*Qg方面虽然有显著的改善，但成本只会有轻微增加，从而导致出现革命性的效率、密度和成本水平，又或者是三者之间的折中。我们现在便谈谈一些GaNpowIR帮助改进密度和效率的例子。

图4：持续的改进保证了在GaNpowIR平台推出后五年之内，30V硅基片功率器件的Rds(on)*Qg FOM将会减少10倍。

我们在前面说过，基于GaN的功率器件有助大幅降低栅极电荷(Qg)，所以器件的开关FOM RDS(on)*Qg也较硅器件要低很多。图4展示的模拟实验结果推断,低电压(30V)GaN功率器件的R*Qg FOM将不断改进。按原型产品的数据及改善进程计划，第一代硅基片GaN HEMT的RQ FOM将比目前最先进的硅MOSFET卓越33%。到2014年，FOM数据更会低于5mΩ-nC，比新一代的MOSFET要先进10倍。

图5：这个GaN功率级蓝图显示了图6所示的改进，对多相100A、12V到1.2V DC-DC转换器的尺寸和功率转换效率的影响。

这对某个特定应用的密度而言，意味着什么？图5所示的服务器微处理器稳压解决方案的例子，表明其应用改善蓝图与GaN改进进程(如图4所示)并行。图中显示的为相关解决方案的占位面积和效率，这个案例能够提供100A的电流，电压则由12V转换到1.2V。在2007年，当时最佳的硅解决方案可以1.4平方英寸的面积提供85%的效率。而在不久前，GaNpowIR功率级则能够在将频率提升到5MHz的同时，将效率保持在相同水平。这意味着解决方案的尺寸可以减少一半，因为在更高的工作频率下可以减少被动器件的数目并采用更小巧的电感器。到2011年，计划中的GaN技术改善将可以把解决方案的尺寸进一步减少，效率却可以保持在相同的水平。从2012年开始，GaN技术的进步将让解决方案能够采用更高的频率，使它可以移近负载；当到了2014年，还可以与微处理器和降压转换器协同封装。系统寄生损耗(电感器、负载线等)随着调节器的位置愈来愈接近负载而显著下降。虽然转换器效率停留在85%，但整体的系统效率却因为寄生损耗减少而增加。总的来说，GaNpowIR的改进预计可以让整体解决方案的尺寸减少差不多十倍。

为了测试在不影响效率的情况下功率转换密度的新水平，IR开发了一个配备GaN功率级的5MHz负载点(POL)转换器原型。这个在5MHz进行开关的GaN POL模组是为10A负载电流、12V输入及1.8V(典型)输出而设计，尺寸比目前典型商用解决方案的三分之一还要小，但效率却还要高(见图6)。这个可以全面运作的GaN 5MHz模块占位面积仅为7mmx9mm，可是在10A负载下能够达到86.5%的效率。

图6：IR配备GaN功率级，在5MHz下运作的10A POL转换器雏型，能够提供与今天以1MHz开关的硅解决方案相约的效率，但尺寸则小于三分之一。

正如前面提到的，GaNpowIR使功率转换效率迈向新水平。图7便显示GaN与现在的硅解决方案比较下，对12V:1.2V降压转换率的改善程度。对单相降压转换器来说，图4展示的GaNpowIR R*Qg改进蓝图代表了在2009年，新技术比典型的硅解决方案在峰值效率方面有超过3%的改善。按预计的改进进程，GaNpowIR将在5年内提供94.5%效率，比现存解决方案改善了5%。在企业电源应用方面，这代表了系统的运作成本可以大幅降低(因为电力耗用和散热负载减少)，同时碳排放也会显著减少。

图7：GaNpowIR为同步降压稳压器应用，例如笔记本电脑、服务器、DDR多种负载点转换器，大幅提高效率，从而减少电力成本，并且有助保护地球。

同时，GaNpowIR也将为更高电压下的功率转换带来革命。把实际量度的数据与预测数据相结合进行分析，采用5mm x 6mm封装、200V额定值的GaN器件，其Rds(on)初期将比硅FET低最多3x，不过持续的改进应该使其性能在5年内有10倍的改善。如图8所示，这表示到了2014年，采用5mm x 6mm封装的200V GaN开关，其Rds(on)将低于5mΩ，至于现在有相同限制的硅功率MOSFET，Rds(on)则为50mΩ。

图8：到了2014年，200V硅基片GaN HEMT的RDS(on) 将会低于5 mΩ，比现在的硅MOSFET优越10倍。

在更高电压情况下，IR已经证明了GaN整流器的反向恢复行为能够与SiC相比。图9便显示GaN及SiC二极管拥有相同的低反向恢复特性(Irr) ，而且两者都比最先进的600V超高速硅二极管要低很多。因为没有少数载流子，所以低反向恢复电流(Irr)变得非常重要。结果就是，GaN具有快速且安静的开关性能，大大减少或免除了原本的滤波电路需求。因为在GaNpowIR平台上，硅基片GaN拥有低成本，所以GaN二极管的生产成本可以低于SiC二极管。

图9：GaN与SiC二极管有相拥同的低反向恢复特性，但两者都要比最先进的硅二极管要好得多。

总结

现在基于GaN的功率FET，例如由IR的GaNpowIR平台所生产的产品，都已经拥有比硅解决方案更好的性能，改善程度更远远超过预期，情况就跟上世纪80、90年代的硅MOSFET一样。新技术显著提高了功率转换密度、效率及成本效益。IR GaNpowIR平台的开发目的，是为了将这些改进商品化，从而提供性能和成本效益均超越现有水平的GaN功率转换解决方案，带来高品质、高可靠性和适当的供应水平。有关方面已经开发了原型产品来展示早期GaN器件的效能。规划改进蓝图预期主要的FOM将有10倍的改善。整合式DC-DC功率级将成为首项相关产品，其他新产品也会陆续上市。