硅功率MOSFET在电源转换领域的应用

　　但这种情况不是一成不变的。由于没有像硅器件那样的极限值，工艺次数和温度、晶圆直径、材料成本和机器产能都在快速进步。在今后几年内，假如GaN作为硅功率MOSFET替代品而得到广泛采纳，那么GaN外延成本有望迅速接近硅外延的成本。

　　晶圆制造

　　图1所示的简单结构在标准硅晶圆代工厂那里制造并不复杂。加工温度与硅CMOS相似，而且交叉污染也很容易管理。目前宜普公司的所有晶圆都在Episil公司加工，这是一家著名的台湾代工厂。

　　在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圆制造成本之间没有材料方面的差异。

　　测试与装配

　　硅基GaN器件的成本结构在装配工艺上有很大的区别,尤胜硅功率MOSFET，而测试成本是相同的。

　　硅功率MOSFET需要一个通常由铜引线框、一些铝、金或铜线组成的环绕封装，所有东西都在浇铸的环氧封套内。对垂直硅器件的顶部和底部需要做连接，并且需要通过塑料压模防止湿气进入有源器件，及将热量排出器件的方法。

　　诸如SO8、TO220或DPAK等传统功率MOSFET封装会增加成本、电阻和热阻，并增加影响产品可靠性和质量的风险。

　　硅基GaN可以用作“倒装芯片”，不会影响电气、散热或可靠性能。

　　从图8可以看出，有源器件区域是与硅基板隔离的，很像蓝宝石上硅器件。因此，有源GaN器件可以由钝化层完全密封。另外，硅基板可以直接连接到散热器，实现出色的散热性能。

　　图8：硅基GaN可以用作“倒装芯片”。有源器件与硅基板相隔离，因此可以在划片前实现完全密封。

　　总而言之，硅基GaN不需要封装，因此能去除与封装相关的一切成本、电路板面积、热阻、电阻及封装后功率器件经常遇到的可靠性问题。

　　表2罗列了2010年硅基GaN与硅功率晶体管的单位面积成本差异，并对2015年时的成本差异作了预测。由于相同功能的硅基GaN器件面积更小，总的结论是硅基GaN表现可以尤胜表2所列。

　　表2

　　GaN可靠吗?

　　在硅功率MOSFET方面累积的可靠性信息量是非常令人吃惊的。多年来许多人一直在埋头理解故障机制、控制和调整工艺，并设计出有别于其它产品的、作为任何电源转换系统中高可靠性的产品基准。

　　硅基GaN晶体管才刚开始这一旅程。然而，初步结果极其鼓舞人心。Nitronex公司已经发布了他们的质量鉴定试验结果(15)，器件并已成功应用于许多射频方案，效果良好。

　　图9、10和11显示了器件的中期表现结果。从图中可以看到被测试器件在经过1000小时的栅极应力测试、漏极至源极应力测试和暴露在高湿环境且有偏置条件下的稳定性。

　　宜普公司还将器件用在48V至1V DC/DC转换器中，在最大应力条件下连续工作1000小时也没有发生故障。

　　我们理解与这种新技术有关的各种故障机制还需要做很多工作。所有进入这一个全新领域的工程人员员=都有望给这个知识库作出贡献。从目前我们拥有的数据来看，这种技术如今已经能够在商业应用中达至可接受的可靠水平。

　　图9：在125℃和+5Vgs条件下1000小时栅极应力能力。

　　图10：在125℃和100VDS条件下1000小时漏极至源极应力能力。

　　图11：在相对湿度85%、温度85℃、100VDS和没有undeRFill情况下1000小时湿度应力能力。

　　图12：在40℃环境温度和10A电流条件下使用两个EPC1001 GaN晶体管的DC/DC转换器, 于连续工作1000小时后的结果。

　　未来发展方向

　　GaN发展之路才刚刚开始。以品质因数RQ代表的基本器件性能将得到根本性的提升。随着人们对材料和工艺的进一步了解，在今后三年内性能极有希望提高2倍，在今后10年内有望提高10倍。

　　我们也有望看到在不远的将来GaN器件可以提供高得多的击穿电压，因为宜普公司计划在2010年下半年推出600V器件，而其它公司也在公开讨论这方面的计划(16)。

　　对GaN来说,影响电源转换系统性能的最大机会也许来自在相同基板上同时集成功率级和信号级器件的固有能力。硅基GaN非常像SOI，在元件之间没有显著的寄生交互，因此设计师能够很容易地在单个芯片上开发出单片电源系统。

　　图13、14和15显示了已经制造出来的各种集成器件。图13是松下公司制造的三相电机控制IC(17)，内含用6个功率晶体管设计的板载IC驱动器。图14是宜普公司开发的全桥功率器件，图15则是宜普公司提供的板载驱动器的功率晶体管。

　　图13：带集成控制和增强型GaN功率器件的单片三相反相器IC。

　　图14：宜普公司的单片全桥器件。

　　图15：宜普公司提供的带集成式驱动器的GaN功率晶体管。

　　总结

　　在二十世纪七十年代晚期，功率MOSFET的开发先驱相信他们拥有了一种能够完全替代双极晶体管的技术。三十年后的今天，我们仍有大量应用选择了双极晶体管而不是功率MOSFET，但功率MOSFET市场规模要比双极晶体管市场大许多倍，因为所有新的应用和新的市场都是由这种突破性技术培育出来的。

　　今天，增强型硅基GaN站在同样的起跑线上。与1976年时的功率MOSFET一样，我们正在开始令人兴奋的旅程，几乎每个月都有新产品和突破性功能推出。

　　功率MOSFET不会被完全淘汰出局，但其性能和成本的重大改善行将结束。在将来的十年内，GaN由于在性能和成本方面的巨大优势而很可能成为主导技术。随着学习曲线的不断展开，这种优势将进一步扩大(18)。