商品化氮化镓功率元件　准备好了没?

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，因此比砷化镓有着较高的功率密度。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电脑、手机以及其他装置了。但是为甚麽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界面，因此不会有界面(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整合在同一芯片上，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硅片旧厂来制作，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？