Why use GaN?

為何選擇氮化鎵(GaN)?

35年前,作為半導體行業的首選功率轉換元件的矽基功率MOSFET是一種替代雙極電晶體的顛覆性技術,它促成創新發展、成為市場成長的驅動因素及致使全球銷售總額高達120億美元。從探討這個轉變背後的動力讓我們瞭解到,控制全新功率轉換技術的普及率有四大關鍵因素:

  1. 技術/元件是否可以推動創新應用開發?
  2. 它是否容易使用?
  3. 對於使用者來說,它是否極具成本效益?
  4. 它是否非常可靠?

在氮化鎵(GaN)技術出現之初,它被引進為可以替代MOSFET的卓越技術。之後數年間,業界的發展推定氮化鎵技術為替代 日益老化的功率MOSFET的創新技術。但要成為半導體的首選技術,像所有領導技術一樣,氮化鎵技術必需符合四大要求。讓我們看看這四大關鍵屬性,從而瞭解氮化鎵技術如何符合這些要求而成為行業領先的創新技術。

它是否可以推動創新應用開發?

與最優的矽基MOSFET相比,氮化鎵電晶體及積體電路的開關速度快很多及體積更小巧。相比先進的矽基元件,當今商用化的氮化鎵場效應電晶體(eGaN®FET)及積體電路的性能高出5至50倍。這個在性能方面的重大改進可推動全新應用的出現,在氮化鎵技術推出之前,這是完全不可能實現的。然而,目前的eGaN FET及其他供應商所製造的氮化鎵電晶體的性能仍然距離氮化鎵元件理論上的性能極限達數個數量級。從將來的氮化鎵學習曲線可看到,氮化鎵與矽基元件的性能差異將會逐漸擴大,而且氮化鎵元件將會繼續推動全新應用的出現並改變各個最終市場。

它是否容易使用?

氮化鎵電晶體(特別是eGaN FET)跟日益老化的功率MOSFET元件的行為非常相似,所以功率系統工程師可以在最少的額外訓練下,利用他們擁有的設計經驗便可以發揮氮化鎵元件的優勢。為了幫助工程師縮短他們的學習曲線,宜普電源轉換公司(EPC)成為帶領及教育業界使用氮化鎵元件及其相關應用的領導者。EPC公司出版了業界第一本關於氮化鎵電晶體的教科書(英文版及簡中版)- «高效轉換元件–氮化鎵電晶體»。該教科書的第二版於2015年由著名的J. Wiley 出版社發行,可從亞馬遜及其他教科書零售商購買。最近,我們出版了兩本以熱點應用為主題的手冊,在DC/DC轉換無線電源傳輸系統DC/DC轉換及無線電源傳輸系統的應用中,幫助功率設計工程師使用氮化鎵元件。EPC公司目前與全球超過60所大學合作,共同為下一代經驗豐富的功率系統設計工程師提供關於氮化鎵技術的訓練,從而進一步增強他們的設計經驗,以最大限度發揮氮化鎵技術的優勢。

它是否極具成本效益?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPC公司的氮化鎵電晶體及積體電路的製造工藝跟矽基功率MOSFET的工藝相似,不同的是,製造氮化鎵元件的工藝步驟更少,以及在每次製造工藝中可以產出更多元件。這是由於氮化鎵元件比它的矽基等效元件的體積小巧很多。此外,較低壓的氮化鎵電晶體(低於500 V)不需要使用等效矽基元件所使用的、成本更高的封裝。單是這個在封裝方面的優勢使得氮化鎵元件的製造成本被降低一半,加上它具備高製造良率及小尺寸等優勢,使得EPC氮化鎵電晶體與可比的(但性能更低的)矽基功率MOSFET相比,前者的成本更低。目前設計工程師不獨是可以發揮氮化鎵更高的性能,而且可以即時節省成本了!

它是否非常可靠的元件?

直至目前為止,多家氮化鎵電晶體的製造商均表示,根據內部報告,氮化鎵電晶體的操作通過了各種應力測試,代表電晶體非常可靠。正如宜普電源轉換公司(EPC)繼續發佈其氮化鎵電晶體的可靠性測試結果--它的第9份產品可靠性測試報告指出,氮化鎵電晶體通過了超過8百萬元件-小時的應力測試後,沒有任何失效元件。

 Field failure breakdown by root cause category.
現場數據分析元件的失效原因

第七階段可靠性測試報告(於2016年3月發佈)描述元件在6年間、170億小時的現場測試結果。採用晶圓級封裝的eGaN FET沒有出現採用其他封裝的半導體經常會出現的失效模式,並於每10億元件小時的應力測試中,取得很低的0.24失效結果。不容置疑的是, eGaN FET適用於目前採用MOSFET的各種應用。

總結

氮化鎵元件符合以上的四大屬性,從而可以替代矽基MOSFET。氮化鎵電晶體在功率轉換應用中具有“獲勝的優勢”,包括快速開關、小巧尺寸、極具成本效益及具備高可靠性以替代矽基MOSFET。其他的行業分析也同樣表明,基於氮化鎵技術的功率積體電路及類比積體電路將不久可以具有與氮化鎵電晶體相同的優勢。也許於3至5年間,數位積體電路也將具備這些相同的優勢。由於氮化鎵技術是相對地較新的技術並剛剛開展它的學習曲線,因此它具備龐大的發展潛力...這就是“為什麼選擇氮化鎵”的原因。