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商品化氮化镓功率元件 准备好了没?

  • 詹益仁

使用氮化镓元件的AC/DC充电器,不仅体积缩小甚多,而输出的功率可达65W甚至更高。小米

日前在台北举行的SEMICON会议中,个人受邀以氮化镓在功率元件的应用为主题发表演讲,并且以商品化为主轴来检视其未来的发展。在此整理该演讲的内容及个人的观点,以飨读者。

氮化镓是一个很神奇的半导体,它的应用涵盖了光电领域,LED、雷射;电子领域,微波/毫米波功率放大器(PA)、高功率元件。在光电领域的应用,如蓝光、绿光、紫外光的LED以及蓝光雷射都早已商品化,并已建立了相当规模的产业。

至于在电子领域,氮化镓应用于微波及毫米波的放大器,其性能以及可靠度均已成熟,只是在等待市场的起飞。氮化镓因为可以操作在比较高的直流偏压,因此比砷化镓有著较高的功率密度。以5G的市场而言,在sub-6GHz的频段下,手机的功率放大器仍会是延续既有砷化镓的技术,而基站则是Si LDMOS为主,可能有部分会使用氮化镓。

若市场进入毫米波,基站的部分会由氮化镓所取代,因为线性度及效率的需求,氮化镓是远优于LDMOS。至于毫米波手机的功率放大器,坦白说目前还看不到有解决的方案,因为在毫米波的频段,目前所有功率放大器的效率都严重不足,会影响到手机使用的时间。

接下来探讨氮化镓在高功率元件的应用,功率元件在不同的崩溃电压操作下,大致可分为高压的650V、中压的100V,以及低压的40V,主要是在AC转DC以及DC转DC的电源系统上的应用。在2020年的CES,展示了多款使用氮化镓元件的AC/DC充电器,不仅体积缩小甚多,而输出的功率可达65W甚至更高,并且拥有多孔的输出。因此未来只需要一个充电器,就可以同时充笔记本、手机以及其它装置了。但是为甚么氮化镓可以做到过往在矽基板元件上无法达到的特性?

这必须由元件的物理来说明。不同的功率元件在相同的崩溃电压条件下,有两个最重要的参数,一个是元件的输出电阻,这决定了元件输出的功率及效率;另一个是元件的输入电容,也就是充放电的电荷,这决定了元件的操作频率。这两个参数都需越小越好。或可能为了降低元件的输出电阻,而将元件的面积刻意做大,但此举却会增加元件输入端的电容。因此一个客观的比较是将两个参数相乘,而得到所谓的FoM,此乘积当然是越小越好了。崩溃电压650V的氮化镓元件其FoM是性能最好矽基板元件(superjunction MOS)的1/10,也就是10倍的优势,而100V的氮化镓是矽元件的3倍,40V氮化镓此优势则仅有约30%。

650V元件通常应用于AC/DC的电源转换,氮化镓具有其十倍的优势,自然是充电器的首选。使用氮化镓的充电器不仅可有较高的输出功率以及转换效率,同时在操作频率上,可以由之前的100KHz,提升到300KHz甚至600KHz。操作频率的增加,无形中就缩减了充电器的体积。

另需一提的是,过往650V氮化镓元件一直有可靠度的问题,这部份不仅透过磊晶以及制程上的努力来加以改善,更重要的是在充电器的电路架构上开始使用了软开关(soft switch)的机制,也就是高电压以及大电流不会同时加诸在氮化镓元件上。此举不仅提升了效率,又可以更进一步地保障氮化镓的可靠度。

100V氮化镓元件挟其三倍的优势,开始在48V DC/DC电源的转换崭露头角,尤其现阶段CPU、GPU、FPGA、ASIC等运用在高速运算系统的IC,其所需求的功率越来越高,最近GPU的加速卡已超过500W,并迈向1000W大关。DC电源系统也由12V 转换到48V,100V氮化镓不仅可以提升效率,同时操作频率可达到1MHz以上,假以时日我们将会看到这方面越来越多的应用。至于崩溃电压在40V以下氮化镓元件则不具有竞争优势,这部分仍会是trench MOS的天下。

氮化镓元件结构上最为关键的部分是闸极开关(gate),在微波/毫米波功率放大器所使用的是金属与氮化镓的接触(MESFET),此架构下通道的电流是远离金属与氮化镓的接口,因此不会有接口(interface)及可靠度的问题。但是在功率元件上,我们需要的是在零偏压下闸极是关闭的,此架构下通道的电流与闸极是接触的。因此有2个选择:一个是使用绝缘层(MIS,类似MOS),另一选择是p-GaN闸极。

MIS在化合物半导体已经是个被研究超过四十年的题目,从来就没有过成功的案例,因此p-GaN成为唯一的选择。但是p-GaN在稍大的正偏压下,会导致闸极开关的导通,因此p-GaN需要另外设计驱动器(driver)。所幸氮化镓的驱动器可以与氮化镓功率元件集成在同一芯片上,并已有少数的公司提供了这类的产品。

最后大家所关心的是氮化镓的价格,基本上目前都是使用六寸矽晶圆旧厂来制作,除了磊晶外只要是需求量起来,其价格应该可以对比到矽元件,目前磊晶占总成本的一半。氮化镓磊晶最大的挑战在于制程时间过长,以及机台是否能维持长期的稳定度及磊晶的均匀性,这有赖MOCVD设备厂商的努力。

650V氮化镓元件在AC/DC充电器的应用会是个破坏式的创新,在既有的系统中加入新的元素,而改变了产业生态;此外100V DC/DC的应用将指日可待。氮化镓在功率元件的应用上,经历了十多年的筚路蓝缕,克服了种种在生产制造以及市场开拓的挑战,如今已稍具雏型。

看完文章,在未来在商品化的应用,你觉得氮化镓准备好了没?

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。