半導體大佬撐腰之下 GaN功率半導體能取代MOSFET？

　　問(wèn)題在于，超級結技術(shù)在大約九百伏左右時(shí)就遭遇了天花板，而IGBT則困擾于開(kāi)關(guān)速度慢的缺點(diǎn)。Wavetek銷(xiāo)售和市場(chǎng)部高級經(jīng)理Domingo Huang表示：“在過(guò)去三十年中，硅基MOSFET成為大多數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(jìn)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?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201610/311963.htm

　　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(dòng)的電子的質(zhì)量的一個(gè)參數。

　　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(lǐng)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。

　　那么600伏和1200伏電壓區段的最佳技術(shù)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(shuō)：“我們并不真正覺(jué)得GaN和超級結功率MOSFET是互相競爭的?！庇w凌銷(xiāo)售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技術(shù)的功率器件。

　　“如果你需要使用超級結來(lái)滿(mǎn)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(shí)現更高的頻率，”P(pán)ersson說(shuō)?！拔覀冋J為，GaN將主要在600伏應用中占主導，而到了1200伏區間，我們相信碳化硅MOSFET代表了它的未來(lái)?！?/p>

　　隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些技術(shù)將開(kāi)始互相重疊?！霸谥丿B區間，由成本等特定的標準決定使用哪種技術(shù)。這也歸結于這個(gè)應用是一個(gè)成本驅動(dòng)的設計，還是一個(gè)性能和密度驅動(dòng)的設計。這個(gè)灰色重疊地帶將隨著(zhù)時(shí)間的推移和生產(chǎn)的成熟度而變化?！彼f(shuō)。

　　什么是GaN?

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

　　應用材料公司技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品戰略總監Ben Lee在一篇博客中提道：“這些(寬帶隙)襯底的挑戰在于它極其昂貴，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襯底現在正在采用的是六英寸?！?/p>

　　還有其它一些問(wèn)題?！皩τ贕aN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(shuō)?！斑@些緩沖層非常重要，需要進(jìn)行調諧以幫助最小化電荷陷阱?！?/p>

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

　　在元器件方面，EPC表示，傳統的耗盡型GaN芯片在操作中為“常開(kāi)”狀態(tài)，因此必須先施加負偏壓。如果沒(méi)有這么設計，系統將發(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(guān)斷狀態(tài)，直到電壓施加到柵極后才會(huì )打開(kāi)。

　　不過(guò)，問(wèn)題依然很清楚-客戶(hù)會(huì )購買(mǎi)這些元件嗎?GaN確實(shí)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(shù)。IHS的分析師稱(chēng)：“供應商們需要進(jìn)行廣泛且有效的教育活動(dòng)，以向客戶(hù)解釋為什么使用以及如何充分利用GaN技術(shù)?！?/p>

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

　　應用

　　價(jià)格降下來(lái)之后，反過(guò)來(lái)使得GaN對于數據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(shí)上，數據中心運營(yíng)商面臨大量挑戰，最大的挑戰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(gè)問(wèn)題。Google采用的方法是，在其數據中心中采用48V供電的機架架構，要比目前的12V技術(shù)節能30%。

　　通常情況下，機架由服務(wù)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(jìn)一步推高到80或者90千瓦。這個(gè)功率數字很大，可是他們還希望在同樣的空間體積下實(shí)現這么高的功率，”英飛凌的Persson說(shuō)?！八麄兿Ｍ麑?shí)現最高的效率，端到端的效率大約到98%這個(gè)級別?！?/p>

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