Why use GaN?

为何选择氮化镓(GaN)?

35年前,作为半导体行业的首选功率转换器件的硅基功率MOSFET是一种替代双极晶体管的颠覆性技术,它促成创新发展、成为市场成长的驱动因素及致使全球销售总额高达120亿美元。从探讨这个转变背后的动力让我们了解到,控制全新功率转换技术的普及率有四大关键因素:

  1. 技术/器件是否可以推动创新应用开发?
  2. 它是否容易使用?
  3. 对于使用者来说,它是否极具成本效益?
  4. 它是否非常可靠?

在氮化镓(GaN)技术出现之初,它被引进为可以替代MOSFET的卓越技术。之后数年间,业界的发展推定氮化镓技术为替代 日益老化的功率MOSFET的创新技术。但要成为半导体的首选技术,像所有领导技术一样,氮化镓技术必需符合四大要求。让我们看看这四大关键属性,从而了解氮化镓技术如何符合这些要求而成为行业领先的创新技术。

它是否可以推动创新应用开发?

与最优的硅基MOSFET相比,氮化镓晶体管及集成电路的开关速度快很多及体积更小巧。相比先进的硅基器件,当今商用化的氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)及集成电路的性能高出5至50倍。这个在性能方面的重大改进可推动全新应用的出现,在氮化镓技术推出之前,这是完全不可能实现的。然而,目前的eGaN FET及其它供应商所制造的氮化镓晶体管的性能仍然距离氮化镓器件理论上的性能极限达数个数量级。从将来的氮化镓学习曲线可看到,氮化镓与硅基器件的性能差异将会逐渐扩大,而且氮化镓器件将会继续推动全新应用的出现并改变各个最终市场。

它是否容易使用?

氮化镓晶体管(特别是eGaN FET)跟日益老化的功率MOSFET器件的行为非常相似,所以功率系统工程师可以在最少的额外训练下,利用他们拥有的设计经验便可以发挥氮化镓器件的优势。为了帮助工程师缩短他们的学习曲线,宜普电源转换公司(EPC)成为带领及教育业界使用氮化镓器件及其相关应用的领导者。EPC公司出版了业界第一本关于氮化镓晶体管的教科书(英文版及简中版)- «高效转换器件–氮化镓晶体管»。该教科书的第二版于2015年由著名的J. Wiley 出版社发行,可从亚马逊及其它教科书零售商购买。最近,我们出版了两本以热点应用为主题的手册,在DC/DC转换及无线电源传输系统DC/DC转换及无线电源传输系统的应用中,帮助功率设计工程师使用氮化镓器件。EPC公司目前与全球超过60所大学合作,共同为下一代经验丰富的功率系统设计工程师提供关于氮化镓技术的训练,从而进一步增强他们的设计经验,以最大限度发挥氮化镓技术的优势。

它是否极具成本效益?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPC公司的氮化镓晶体管及集成电路的制造工艺跟硅基功率MOSFET的工艺相似,不同的是,制造氮化镓器件的工艺步骤更少,以及在每次制造工艺中可以产出更多器件。这是由于氮化镓器件比它的硅基等效器件的体积小巧很多。此外,较低压的氮化镓晶体管(低于500 V)不需要使用等效硅基器件所使用的、成本更高的封装。单是这个在封装方面的优势使得氮化镓器件的制造成本被降低一半,加上它具备高制造良率及小尺寸等优势,使得EPC氮化镓晶体管与可比的(但性能更低的)硅基功率MOSFET相比,前者的成本更低。目前设计工程师不独是可以发挥氮化镓更高的性能,而且可以即时节省成本了!

它是否非常可靠的器件?

直至目前为止,多家氮化镓晶体管的制造商均表示,根据内部报告,氮化镓晶体管的操作通过了各种应力测试,代表器件非常可靠。正如宜普电源转换公司(EPC)继续发布其氮化镓晶体管的可靠性测试结果--它的第9份产品可靠性测试报告指出,氮化镓晶体管通过了超过8百万器件-小时的应力测试后,没有任何失效器件。

 Field failure breakdown by root cause category.
现场数据分析器件的失效原因

第七阶段可靠性测试报告(于2016年3月发布)描述器件在6年间、170亿小时的现场测试结果。采用芯片规模封装的eGaN FET没有出现采用其它封装的半导体经常会出现的失效模式,并于每10亿器件小时的应力测试中,取得很低的0.24失效结果。不容置疑的是, eGaN FET适用于目前采用MOSFET的各种应用。

总结

氮化镓器件符合以上的四大属性,从而可以替代硅基MOSFET。氮化镓晶体管在功率转换应用中具有“获胜的优势”,包括快速开关、小巧尺寸、极具成本效益及具备高可靠性以替代硅基MOSFET。其它的行业分析也同样表明,基于氮化镓技术的功率集成电路及模拟集成电路将不久可以具有与氮化镓晶体管相同的优势。也许于3至5年间,数字集成电路也将具备这些相同的优势。由于氮化镓技术是相对地较新的技术并刚刚开展它的学习曲线,因此它具备庞大的发展潜力...这就是“为什么选择氮化镓”的原因。