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氮化镓场效应管何时可以替代硅功率MOSFET?

  是什么控制突破性技术的普及率?
  三十年的硅功率MOSFET历程告诉我们,控制突破性技术的普及率有四大关键因素:
1. 这种技术能否推动重大的新功能的出现?
2. 这种技术是否易于使用?
3. 这种技术对用户来说是否极具成本效益?
4. 这种技术是否可靠?
  在下面的段落中,我们将利用前几章讨论过的内容,根据上述的四大因素探讨氮化镓场效应晶体管何时能够替代主流硅功率MOSFET器件,并进一步了解它的近期开发计划,最后预测它对电源转换行业的影响。
 
  氮化镓场效应晶体管推动新功能的出现
  增强型氮化镓场效应晶体管能够推动的主要新功能源自开关性能和整个器件带宽的突破性改善。氮化镓场效应晶体管拥有比硅器件高得多的临界击穿电场强度。因此这种新器件的漏极至源极之间可以承受高很多的电压,而牺牲更小的导通电阻当市场普遍接受氮化镓场效应晶体管为功率MOSFET器件的替代器件时,设计师就可以利用它的快速开关性能改善电源转换系统的效率、尺寸及成本。
 
  基于氮化镓场效应晶体管的产品应用于各个领域包括以太网供电、应用于通信和计算机的隔离及非隔离直流,直流转换器,无线电源传送、射包络跟,太阳能微逆变器、射频传送、及高保真度D类音频放大器。在这些应用中,氮化镓技术可以根据需求缩小尺寸及提高系统效率。
 
  氮化镓场效应晶体管易于使用
  一个器件是否易于使用取决于多个因素,包括使用者的技能、待开发电路的难易程度、该器件与用户所熟悉的器件相比有多大的差异,以及帮助用户使用器件的工具的可用性等。
 
  氮化镓场效应晶体管的电学特性与目前的功率MOSFET器件非常相似,因此用户可以充分发挥他们的设计经验。而有两个关键差异需要特别关注:较低的最大栅极电压和较高的频率响应。
 
  第一种差异是较低的最大棚极电压,它通过栅极驱动集成电路限制栅极上的电压。在二零一一年六月,一个专门驱动增强型氮化镓场效应晶体管的驱动器集成电路诞生了。它是一个高性能、100V的高及低驱动器集成电路-德州仪器的LM5113驱动器,以帮助设计师在不同的应用中易于使用氮化镓场效应晶体管。当氮化镓场效应晶体管广获赞同时,40V至600V的驱动器将会陆续被开发公司引进市场。这些驱动器集成电路支持设计师加快学习速度及在最大限度地利用氮化镓场效应晶体管的优势克服多方面的挑战。
 
  第二种差异是较高的频率响应,它意味着氮化镓场效应晶体管工作性能比以前任何硅器件要高,但也意味着使用者在设计电路版图时需要考虑额外的注意事项。如:少量的杂散寄生电感可以导致栅极至源极电压发生较大的过冲现象,进而有可能损坏器件。在并联器件时也需要特别留意。
 
  另一方面,有几种特性使这些器件比它们的前代硅器件更易于使用。例如,阈值电压实际上在很广阔的范围内独立于温度,而且它的导通电阻的温度系数也比等效的硅器件小很多。
 
  成本与到时问的关系
  对基于不同技术的产的成本进行比较容易使人误解。此外,如果供需失衡,产品价格就不能真实反映其成本。由于氮化镓场效应晶体管的市场旨在替代成熟但性能受限的功率MOSFET器件,这是最有意义的成本比较影响产品成本的基本因素有:
  ·初始材料
  ·外延生长
  ·晶圆制造
  ·测试与装配
  为了便于分析,影响成本的其它因素如产品良率、工程成本、包装和运输成本,以及一般开销成本,在不同的技术下均被设定为相同。
 
  初始材料
  目前的氮化镓场效应晶体管是在150mm的衬底上生产,在不久的将来产品将移至200mm的衬底上生产。许多制造商是在100mm至200mm的衬底上生产功率MOSFET器件。由于氮化镓器件使用标准的硅衬底,因此与在相同直径的初始材料上制造的功率MOSFET相比,成本不变。事实上,在150mm和200mm硅晶之间每单位面积的成本差异很少,因此结论是氮化镓器件在每片晶圆之初始材料方面,并不存在真正的成本差异。如果考虑具有相同电流承载能力的氮化镓器件的面积比硅器件为小,那么氮化镓器件单位功能的成本将更低。
 
  外延生长
  硅外延生长是一种成熟的技术,许多公司都制造高效率和自动化的设备。这些设备的主要用途是外延生在氮化镓以制造发光二极管。没有一台设备针对硅外延的氮化镓优化过,也不具硅设备中常见的自动化水平。因此,硅基氮化镓外延目前要比硅外延昂贵。
 
  但这种情况不是本质上的。硅基氮化镓外延在生长时间和温度、晶圆直径、材料成本和设备产能各方面都在快速进步,与硅外延极限无本质差别。
 
  在今后的几年内,假如作为硅功率MOSFET的替代产品的氮化镓场效应晶体管得到广泛采纳,那么氮化镓外延的成本有望迅速接近硅外延的成本。
 
  制造
  由于氮化镓场效应晶体管的结构简单,与等效,先进的功率MOSFET器件相比其所需的工艺步骤更少,因此氮化镓场效应晶体管和功率MOSFET的晶圆制造的成本没有实质上的差异。而当氮化镓场效应晶体管的投产量增加时,它将比先进的功率MOSFET器件更具成本效益。
 
  测试与装配
  在装配工艺上,与功率MOSFET相比,氮化镓场效应晶体管的成本结构尤胜硅功率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,放置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,并需要通过塑料压模防止湿气进入有源器件,及一个可以将热量排出器件的方法。
 
  诸如SO8,TO220或DPAK等传统功率MOSFET封装都会增加成本、寄生电感,电阻和热阻,并增加影响产品可靠性和质量的风险。
 
  具200V或以下额定电压值,使用LGA封装的氮化镓场效应晶体管可以用作“倒装晶片”而不会影响器件的电气、散热或可靠性的性能。
 
  总括来说,氮化镓技术可以在低压应用中不需要封装,因此能够去除与封装相关的一切问题,包括增加成本,浪费电路板面积、增加寄生电感,热阻、电阻及在封装后功率器件经常会遇到的可靠性的问题。器件的总体制造时间减少了,可以改善循环次数及加快学习速度。
 
  氮化镓场效应晶体管是可靠的器件
  关于硅功率MOSFET所累积的可靠性的信息量是非常令人吃惊的。多年的工作被灌注在理解故障机、控制和改良工艺,并设计出有别于其它产品、并可以作为任何电源转换系统中高可靠性产品的基准。氮化镓场效应晶体管器件已成功应用于许多射频及功率领域,效果良好。在严峻的辐射照射下器件仍然可以可靠地工作。
 
  未来的发展方向
  发展氮化镓技术之旅程才刚刚开始。以品质因数RQ、米勒比、RDS(ON)x A(导通电阻值乘以面积的积)及成本来代表的基本器件的性能将得到极大的提升。我们有望看到在不远的将来氮化镓器件可以提供更高的击穿电压,并会替代硅IGBT,甚至是替代SiC基晶体管,这是因为氮化镓器件具更低的制造成本及更低的传导损耗。
 
  对氮化镓技术来说,影响电源转换系统性能的最大机遇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。氮化镓技术非常像SOI技术,在元件之间没有显著的寄生交互影响,因此设计师能够很容易地在单个晶片上开发出单片电源系统。
单片全桥器件 
图1 单片全桥器件。
带集成式驱动器的氮化镓场效应晶体管 
图2 带集成式驱动器的氮化镓场效应晶体管。
 
  总结
  在二十世纪七十年代晚期,开发功率MOSFET器件的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。今天,我们仍有大量应用选择使用双极晶体管而不是功率MOSFET,但功率MOSFET的市场规模要比双极晶体管的市场大许多倍,因为所有新的应用和新的市场都是由这种突破性技术所培育出来的。
 
  氮化镓技术在今天站在同样的起跑线上。与一九七六年时的功率MOSFET一样。功率MOSFET不会被完全淘汰出局,但其性能和成本方面的重大改善将会结束。随着更多基于氮化镓器件的设计投入市场,加上专为氮化镓硅外延生长而设的设备更渐趋成熟,在未来的十年内,本着氮化镓器件在性能和成本方面的巨大优势,它很可能成为主导技术。随着不断加快的学习速度,这种优势将进一步扩大。

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