半导体大佬撑腰之下 GaN功率半导体能取代MOSFET？

　　问题在于，超级结技术在大约九百伏左右时就遭遇了天花板，而IGBT则困扰于开关速度慢的缺点。Wavetek销售和市场部高级经理Domingo Huang表示：“在过去三十年中，硅基MOSFET成为大多数功率电子设备应用中功率器件的首选。然而，下一代和新兴的应用要求进一步大幅提高功率转换性能，而硅基FET器件正在接近其物理特性的极限。”

　　这就是为什么业界对两种宽带隙解决方案-碳化硅和氮化钾-感兴趣的原因。宽带隙指的是电子从其轨道脱离所需的能量大小，也是决定能够自由移动的电子的质量的一个参数。

　　GaN的带隙为3.4电子伏特(eV)，SiC的带隙为3.3eV，相比之下，硅的带隙只有1.1eV。

　　通常，在功率领域中，GaN基功率半导体用于30伏至650伏的应用，而SiC FET用于600伏到10千伏的系统。

　　那么600伏和1200伏电压区段的最佳技术是什么?这取决于具体要求和成本。全球最大的功率半导体供应商英飞凌的GaN应用经理Eric Persson说：“我们并不真正觉得GaN和超级结功率MOSFET是互相竞争的。”英飞凌销售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技术的功率器件。

　　“如果你需要使用超级结来满足你的要求，那么就使用它。你转向GaN的唯一原因是GaN更便宜或者应用需要更高的密度或效率，即在不牺牲效率的情况下实现更高的频率，”Persson说。“我们认为，GaN将主要在600伏应用中占主导，而到了1200伏区间，我们相信碳化硅MOSFET代表了它的未来。”

　　随着时间的推移，这些技术将开始互相重叠。“在重叠区间，由成本等特定的标准决定使用哪种技术。这也归结于这个应用是一个成本驱动的设计，还是一个性能和密度驱动的设计。这个灰色重叠地带将随着时间的推移和生产的成熟度而变化。”他说。

　　什么是GaN?

　　可以肯定的是，GaN基功率半导体不会在一些制造和生产存在挑战的领域占据主导地位。在整个工艺流程中，GaN器件是从硅衬底开始制造的，先在硅衬底上生长氮化铝(AlN)层，然后使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在AlN层上生长GaN。AlN层用作衬底和GaN之间的缓冲层。

　　应用材料公司技术营销和产品战略总监Ben Lee在一篇博客中提道：“这些(宽带隙)衬底的挑战在于它极其昂贵，而且难以制造。与硅衬底相比，GaN衬底通常为6英寸或更小。有些是8英寸，但供应相当有限。SiC衬底现在正在采用的是六英寸。”

　　还有其它一些问题。“对于GaN而言，由于GaN和硅之间存在晶格失配，所以必须要用AlN缓冲层，”Lee说。“这些缓冲层非常重要，需要进行调谐以帮助最小化电荷陷阱。”

　　因此，业界必须继续解决这些问题。“(目标是)解决这些固有的挑战，如晶格失配、热膨胀系数不同，以及能够适应垂直电压跌落的较厚的缓冲层。”Wavetek的Huang说。

　　在元器件方面，EPC表示，传统的耗尽型GaN芯片在操作中为“常开”状态，因此必须先施加负偏压。如果没有这么设计，系统将发生短路，这使得它们不适合许多应用。

　　因此，供应商已经从耗尽型器件转移到增强型器件。这些器件对于OEM更为理想，通常是关断状态，直到电压施加到栅极后才会打开。

　　不过，问题依然很清楚-客户会购买这些元件吗?GaN确实很有前途，但行业倾向于固守如功率MOSFET这种更熟悉的技术。IHS的分析师称：“供应商们需要进行广泛且有效的教育活动，以向客户解释为什么使用以及如何充分利用GaN技术。”

　　最近，GaN器件供应商正在解决一些其他问题。“业界仍然存在误解，认为GaN器件比MOSFET贵，”EPC的Lidow说。“要想扭转人们的这种误解需要一定的时间，但人们确实正在更正这种印象。EPC于2015年5月开始以相当于或者低于MOSFET的价格向大批量应用供应GaN器件。”

　　应用

　　价格降下来之后，反过来使得GaN对于数据中心和电信设备的供电电源这些应用更加具备吸引力，事实上，数据中心运营商面临大量挑战，最大的挑战便是降低这些巨型设施的功耗。

　　有若干种方法可以解决这个问题。Google采用的方法是，在其数据中心中采用48V供电的机架架构，要比目前的12V技术节能30%。

　　通常情况下，机架由服务器和电源组成。“这些机架的功率大概在50千瓦或60千瓦左右，他们希望把它进一步推高到80或者90千瓦。这个功率数字很大，可是他们还希望在同样的空间体积下实现这么高的功率，”英飞凌的Persson说。“他们希望实现最高的效率，端到端的效率大约到98%这个级别。”

　　这么大的功率，这么高的效率，电源就变得至关重要了。电源可能包括转换器、功率因数校正单元(PFC)。PFC能够保证系统以最大效率运行。