無論是消費電子產品、通訊硬件、電動車還是家用電器，提升電源轉換能效
、提高功率密度水平、延yan長chang電dian池chi使shi用yong時shi間jian和he加jia快kuai開kai關guan速su度du這zhe些xie日ri益yi嚴yan格ge的de要yao求qiu正zheng擺bai在zai工gong程cheng師shi麵mian前qian。所suo有you這zhe一yi切qie都dou意yi味wei著zhe電dian子zi產chan業ye定ding會hui變bian得de越yue來lai越yue依yi賴lai於yu新xin型xing的de功gong率lv半ban導dao體ti
，采cai用yong不bu再zai以yi矽gui(Si)為基礎的新的工藝技術。隨著容量將可能達到前所未有的性能基準，氮化镓(GaN)現作為一個新興的工藝技術，將影響電源係統設計的未來發展。

 

過去十年，GaN已在多個行業領域產生了重大影響，在光電方麵它已對高亮發光二極管(HBLED)的發展和增殖發揮重要作用

，在無線通訊方麵它已被用於高功率射頻(RF)設備如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)。現在在電源應用中廣泛采用GaN有著巨大的潛力。行業分析Yole Research預測：到2020年GaN功率器件業務每年當值約6億美元。

 

為證實Yole對市場的評估是正確的
，必須達到這樣一個數字
，未來5年要看到100%的年複合增長率(CAGR)。然而，在那成為現實前還有無數的挑戰有待解決。本文我們將看看采取什麼措施以確保GaN的廣泛采用。

 

 

最近有一些動態令GaNdedaobiyiqiangengrenzhendeshenyi。dianyuanxitongshejizhengjingshougengdadekongjianxianzhi。liru，zaixiaofeidianzilingyu，yongyubianxiechanpindechongdianqidejincouduzhengbuduandedaojingjian。tongyang
，shujuzhongxindejijiazhengbiandeyuelaiyueyongji。yinci

，bixuzengjiagonglvmiduhetishengdianyuanzhuanhuannengxiao
，zaibuzhanyongtaiduokongjiandetongshiquebaoqigonglvIC的散熱機製。這導致了功率MOSFET的需求增加，以更快的開關速度工作。

 

目mu前qian的de半ban導dao體ti工gong藝yi技ji術shu絕jue大da多duo數shu依yi賴lai於yu矽gui基ji底di。矽gui工gong藝yi作zuo為wei電dian子zi業ye的de基ji礎chu已yi有you幾ji十shi年nian，在zai此ci期qi間jian
，雖sui然ran進jin行xing高gao能neng效xiao電dian源yuan轉zhuan換huan的de方fang法fa綽chuo綽chuo有you餘yu，但dan即ji將jiang不bu足zu的de時shi代dai正zheng迅xun速su逼bi近jin。摩mo爾er定ding律lv越yue來lai越yue接jie近jin其qi物wu理li極ji限xian，將jiang來lai這zhe一yi切qie可ke真zhen的de是shi預yu期qi的de矽gui性xing能neng的de不bu明ming顯xian的de漸jian進jin式shi改gai善shan。鑒jian於yu我wo們men注zhu定ding要yao生sheng活huo在zai一yi個ge對dui能neng源yuan越yue來lai越yue渴ke求qiu的de社she會hui
，必bi須xu研yan究jiu可ke替ti代dai的de半ban導dao體ti技ji術shu。

圖：在功率密度應用中使用GaN的潛在改善

 

 

矽gui功gong率lv器qi件jian現xian正zheng開kai始shi達da到dao其qi性xing能neng改gai進jin被bei抑yi製zhi的de階jie段duan，不bu可ke避bi免mian的de結jie論lun是shi來lai自zi矽gui進jin一yi步bu支zhi持chi的de技ji術shu演yan進jin的de能neng力li逐zhu漸jian減jian弱ruo。現xian在zai明ming確que地di需xu要yao實shi質zhi上shang的de具ju有you顛dian覆fu性xing的de技ji術shu。

 

正如已經談到的，功率半導體必須能提供以下性能組合：

 

1. 高電源轉換能效

 

2. 高功率密度/緊湊的尺寸

 

3. 快速開關

 

4. 成本效益

 

根據IC的特定用途，此列表中的某些屬性將比其它更重要。GaN極其滿足所有上述標準—一些現在就可以做到，另一些在將來也能實現。

在任何電源係統設計中

，某種程度的電源轉換損耗將是固定的，但由於其寬帶隙
，GaN明顯比矽表現出更低的損耗，即更好的電源轉換效率。因為GaN片可比等效的矽片更小，基於此技術的器件可被置於尺寸更小的封裝規格中。由於其高流動性，GaN在用於要求快速開關的電路中能效極高。圖2顯示了GaN HEMT器件的物理結構和它如何類似於現有的MOSFET技術。GaN中的側向電子流同時提供低導通損耗（低導通阻抗）和(he)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。而(er)且(qie)，提(ti)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)
，因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)所(suo)含(han)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)可(ke)以(yi)更(geng)少(shao)，配(pei)套(tao)的(de)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)線(xian)圈(quan)可(ke)以(yi)更(geng)小(xiao)。此(ci)外(wai)，GaN提供的更高的電源轉換效率意味著更少的散熱量——減小了需要分配給熱管理的空間。

圖：GaN與矽製造工藝之間的相似性

 

 

正如我們已看到的，GaN具有一些關鍵特性與矽區別開來，並令它特別適合電源應用。然而，到目前為止

，GaN作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)材(cai)料(liao)的(de)進(jin)展(zhan)緩(huan)慢(man)。像(xiang)過(guo)去(qu)被(bei)開(kai)發(fa)的(de)其(qi)它(ta)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)一(yi)樣(yang)，需(xu)要(yao)花(hua)費(fei)時(shi)間(jian)來(lai)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)成(cheng)熟(shu)狀(zhuang)態(tai)。對(dui)任(ren)何(he)芯(xin)片(pian)技(ji)術(shu)在(zai)整(zheng)體(ti)上(shang)同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)高(gao)程(cheng)度(du)的(de)均(jun)勻(yun)性(xing)和(he)重(zhong)複(fu)性(xing)的(de)能(neng)力(li)是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)，而(er)以(yi)前(qian)這(zhe)是(shi)GaN的問題點。由於GaNshengchandedilianglv，guinengtigongxiangdangdadechengbenyoushiergaiguoqixingnengdebuzu。zhelingguizaigonglvbandaotishengchanzhongweichiqizhudaodiwei。jinguanruci，yizhiyilaiguanyuGaN的製造工藝正被改善
，以呈現更高良率，以及現正被證實的更高的可靠性。

 

GaN處於有利地位，可從已為矽器件到位的製造設施中受益。隻需使用相同的設備，添加幾個簡單的工藝步驟，就可應用於現有的6英寸和8英寸的CMOS矽製造工藝，而且，一旦容量需求成為必要，可擴展至12英寸工藝。

 

隨著標準的CMOS矽製造轉為更大尺寸的晶圓，對傳統的最初用於矽器件的製造設施繼續工作是一個真正的機會（否則會變得多餘）。這意味著舊的芯片生產基地通過切換輸出氮化镓而將獲得第二次新生。

 

通過這樣的方式降低成本，新的渠道將開始為GaN打開。正如60年代末和70年代初為矽基IC所做的那樣
，市場將滾雪球——GaN的需求增加將導致更多的產量和更低的單位成本。

 

未來幾年
，GaNjiangbuzaibeikanzuoxiaoshengtaibandaotijishu

，jinjinjiandandizaijiaoxiaodezhizaochangdiheshiyanshizhizao，ershijiangchengweishangyekexingdejiejuefangan，ketongguodaguimofanganshengchanqijiancongernengdadaoyuguiyizhidejiawei。ziqunian9月以來，安森美半導體一直與Transphorm合作，攜手將GaN技術引入市場。通過結合Transphorm無與倫比的GaN專業知識和安森美半導體的專長、寬廣的知識產權陣容及量產經驗，兩家公司將能將功率器件引入市場實現下一代應用。

 

總之，我們的電力需求超越了長期的半導體技術，而且必須做些什麼來解決這個問題。當應用於電源係統設計，GaN有能力使性能發生巨大的改善而超越矽器件可實現的性能。因此它必定在電力電子的新時代發揮巨大的作用——向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開關速度的器件。得益於技術的重大改進
，將有可能降低GaN生產的費用。因此我們現在處於這樣一個階段
，GaN終於可被看作一種準備量產的工藝技術。