硅功率MOSFET在電源轉換領(lǐng)域的應用

　　但這種情況不是一成不變的。由于沒(méi)有像硅器件那樣的極限值，工藝次數和溫度、晶圓直徑、材料成本和機器產(chǎn)能都在快速進(jìn)步。在今后幾年內，假如GaN作為硅功率MOSFET替代品而得到廣泛采納，那么GaN外延成本有望迅速接近硅外延的成本。

　　晶圓制造

　　圖1所示的簡(jiǎn)單結構在標準硅晶圓代工廠(chǎng)那里制造并不復雜。加工溫度與硅CMOS相似，而且交叉污染也很容易管理。目前宜普公司的所有晶圓都在Episil公司加工，這是一家著(zhù)名的臺灣代工廠(chǎng)。

　　在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圓制造成本之間沒(méi)有材料方面的差異。

　　測試與裝配

　　硅基GaN器件的成本結構在裝配工藝上有很大的區別,尤勝硅功率MOSFET，而測試成本是相同的。

　　硅功率MOSFET需要一個(gè)通常由銅引線(xiàn)框、一些鋁、金或銅線(xiàn)組成的環(huán)繞封裝，所有東西都在澆鑄的環(huán)氧封套內。對垂直硅器件的頂部和底部需要做連接，并且需要通過(guò)塑料壓模防止濕氣進(jìn)入有源器件，及將熱量排出器件的方法。

　　諸如SO8、TO220或DPAK等傳統功率MOSFET封裝會(huì )增加成本、電阻和熱阻，并增加影響產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量的風(fēng)險。

　　硅基GaN可以用作“倒裝芯片”，不會(huì )影響電氣、散熱或可靠性能。

　　從圖8可以看出，有源器件區域是與硅基板隔離的，很像藍寶石上硅器件。因此，有源GaN器件可以由鈍化層完全密封。另外，硅基板可以直接連接到散熱器，實(shí)現出色的散熱性能。

　　圖8：硅基GaN可以用作“倒裝芯片”。有源器件與硅基板相隔離，因此可以在劃片前實(shí)現完全密封。

　　總而言之，硅基GaN不需要封裝，因此能去除與封裝相關(guān)的一切成本、電路板面積、熱阻、電阻及封裝后功率器件經(jīng)常遇到的可靠性問(wèn)題。

　　表2羅列了2010年硅基GaN與硅功率晶體管的單位面積成本差異，并對2015年時(shí)的成本差異作了預測。由于相同功能的硅基GaN器件面積更小，總的結論是硅基GaN表現可以尤勝表2所列。

　　表2

　　GaN可靠嗎?

　　在硅功率MOSFET方面累積的可靠性信息量是非常令人吃驚的。多年來(lái)許多人一直在埋頭理解故障機制、控制和調整工藝，并設計出有別于其它產(chǎn)品的、作為任何電源轉換系統中高可靠性的產(chǎn)品基準。

　　硅基GaN晶體管才剛開(kāi)始這一旅程。然而，初步結果極其鼓舞人心。Nitronex公司已經(jīng)發(fā)布了他們的質(zhì)量鑒定試驗結果(15)，器件并已成功應用于許多射頻方案，效果良好。

　　圖9、10和11顯示了器件的中期表現結果。從圖中可以看到被測試器件在經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的柵極應力測試、漏極至源極應力測試和暴露在高濕環(huán)境且有偏置條件下的穩定性。

　　宜普公司還將器件用在48V至1V DC/DC轉換器中，在最大應力條件下連續工作1000小時(shí)也沒(méi)有發(fā)生故障。

　　我們理解與這種新技術(shù)有關(guān)的各種故障機制還需要做很多工作。所有進(jìn)入這一個(gè)全新領(lǐng)域的工程人員員=都有望給這個(gè)知識庫作出貢獻。從目前我們擁有的數據來(lái)看，這種技術(shù)如今已經(jīng)能夠在商業(yè)應用中達至可接受的可靠水平。

　　圖9：在125℃和+5Vgs條件下1000小時(shí)柵極應力能力。

　　圖10：在125℃和100VDS條件下1000小時(shí)漏極至源極應力能力。

　　圖11：在相對濕度85%、溫度85℃、100VDS和沒(méi)有undeRFill情況下1000小時(shí)濕度應力能力。

　　圖12：在40℃環(huán)境溫度和10A電流條件下使用兩個(gè)EPC1001 GaN晶體管的DC/DC轉換器, 于連續工作1000小時(shí)后的結果。

　　未來(lái)發(fā)展方向

　　GaN發(fā)展之路才剛剛開(kāi)始。以品質(zhì)因數RQ代表的基本器件性能將得到根本性的提升。隨著(zhù)人們對材料和工藝的進(jìn)一步了解，在今后三年內性能極有希望提高2倍，在今后10年內有望提高10倍。

　　我們也有望看到在不遠的將來(lái)GaN器件可以提供高得多的擊穿電壓，因為宜普公司計劃在2010年下半年推出600V器件，而其它公司也在公開(kāi)討論這方面的計劃(16)。

　　對GaN來(lái)說(shuō),影響電源轉換系統性能的最大機會(huì )也許來(lái)自在相同基板上同時(shí)集成功率級和信號級器件的固有能力。硅基GaN非常像SOI，在元件之間沒(méi)有顯著(zhù)的寄生交互，因此設計師能夠很容易地在單個(gè)芯片上開(kāi)發(fā)出單片電源系統。

　　圖13、14和15顯示了已經(jīng)制造出來(lái)的各種集成器件。圖13是松下公司制造的三相電機控制IC(17)，內含用6個(gè)功率晶體管設計的板載IC驅動(dòng)器。圖14是宜普公司開(kāi)發(fā)的全橋功率器件，圖15則是宜普公司提供的板載驅動(dòng)器的功率晶體管。

　　圖13：帶集成控制和增強型GaN功率器件的單片三相反相器IC。

　　圖14：宜普公司的單片全橋器件。

　　圖15：宜普公司提供的帶集成式驅動(dòng)器的GaN功率晶體管。

　　總結

　　在二十世紀七十年代晚期，功率MOSFET的開(kāi)發(fā)先驅相信他們擁有了一種能夠完全替代雙極晶體管的技術(shù)。三十年后的今天，我們仍有大量應用選擇了雙極晶體管而不是功率MOSFET，但功率MOSFET市場(chǎng)規模要比雙極晶體管市場(chǎng)大許多倍，因為所有新的應用和新的市場(chǎng)都是由這種突破性技術(shù)培育出來(lái)的。

　　今天，增強型硅基GaN站在同樣的起跑線(xiàn)上。與1976年時(shí)的功率MOSFET一樣，我們正在開(kāi)始令人興奮的旅程，幾乎每個(gè)月都有新產(chǎn)品和突破性功能推出。

　　功率MOSFET不會(huì )被完全淘汰出局，但其性能和成本的重大改善行將結束。在將來(lái)的十年內，GaN由于在性能和成本方面的巨大優(yōu)勢而很可能成為主導技術(shù)。隨著(zhù)學(xué)習曲線(xiàn)的不斷展開(kāi)，這種優(yōu)勢將進(jìn)一步擴大(18)。