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半导体技术将随着GaN步入新纪元
【来源】:翌芯电子    【作者】:互联网    【发表日期】:2015-02-27

来源:国际电子商情

随着设计变得越来越复杂,工程师不断寻找更新的半导体材料。氮化镓(GaN)材料自从多年前开始被IEEE国际微波研讨会等重要会议视为一大趋势后,近年来已经逐渐稳定立足于RF/微波应用。接下来,氮化镓将应用在哪些方面?它存在哪些局限?未来又将带来哪些可能性?

为了回答这些问题,《EETimes》记者访问了在GaN Systems、宜普电源转换公司(Efficient Power Conversion;EPC)、TriQuint Semiconductor、MACOM与Element Six等公司的研发团队。

相较于硅和砷化镓(GaAs),氮化镓在功率密度和功率电平方面更具优势,但本身也存在技术限制。TriQuint基础设施和国防产品研究资深总监Douglas H. Reep指出,GaN功率晶体管能够达到>10W/mm的功率密度以及超过500W的功率级,然而,“从理论来看,氮化镓技术的限制就在于基本材料性能的限制,以及我们利用氮化镓的创造力。”

Reep表示,考虑氮化镓的最重要因素是晶体管速度与工作电压之间的关系,如同Johnson导出的FoM数据所示。他强调,在这种比较上,氮化镓表现出较GaAs更高1倍以及比硅晶更高2倍的性能优势。他补充说,氮化镓的研发经常着重在半导体和封装阶段的热管理。

至于高压组件,GaN Systems最近发布五款针对高速系统设计优化的650V GaN晶体管。这些650V组件具有反向电流的能力、零反向恢复充电以及电源感知等功能。该公司在去年初发布的100V GaN功率晶体管也同样具备这些特色。

然而,目前的技术限制在于保持可靠性的同时也必须提高工作电压,MACOM公司资深技术研究员Tim Boles强调,必须提高电压偏置才能实现更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。“PAE在2.5到3.5GHz以上可适时地达到70%的增幅,”他并预计,“更高的偏置电压将可提高这项参数。”

GaN Systems总裁Girvan Patterson则认为,击穿电压是氮化镓的关键。透过在碳化硅上利用氮化镓,该公司已能在实验室中获得超过2,000V的电压。然而,他指出,在当前基于硅的GaN技术结构,击穿电压仍受到垂直击穿的限制。

这使得我们目前的工作电压受限于650V,Patterson解释说,“我们预期在接下来几年可进一步开发出更好的基板材料,使工作电压提高到900V或甚至超过1200V。”至于效率,Patterson认为,氮化镓的使用者已经证明它可展现99%的转换效率了,而硅晶的转换效率还不到95%。

此外,还有热量。Element Six技术公司防御和航空航天业务主管Felix Ejeckam提到,氮化镓晶体管目前尚未能达到原始功率密度的最大值,除非热量能从发热结处被成功地释放出来,才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等参数。

 

  • 应用


如今,进行GaN研究工作的人很少仅仅将它看做是硅或GaAs的替代品,而是看好它作为一种可在新应用中发挥作用的独特材料,特别是它可在高频率、高电压和高功率密度的应用领域中带来极具研究前景。

EPC执行长Alex Lidow强调,氮化镓材料每天都在催生新应用。例如,大量的封包追踪与光达(LIDAR),以及最近大量应用于服务器的DC-DC转换器、D类放大器、无线充电与医疗应用等。

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增强型GaN晶体管表现出高耐辐射性能,从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统。(来源:EPC)

Patterson认为,氮化镓的应用领域十分庞大,包括在替代能源市场的高效电源转换、电动和混合动力车、交通运输以及高效率的电源的应用,在利用氮化镓后可实现高达99%的效率。此外,他还观察到在2015年将可看到越来越多消费领域的开发人员对这款材料的兴趣增加,“例如,在未来12个月,我们可望看到比现在电视更轻薄的新一代电视上市,这就是因为利用了GaN功率晶体管带来显着节省空间的效果。”

在RF方面,基于钻石的氮化镓(GaN-on-diamond)近来在作为蜂巢式基地台的RF放大器以及军事应用的雷达方面也展现成长动能。此外,根据Ejeckam表示,在风力/PV发电系统所用的超高功率(高达几千瓦)逆变器,也可看到对于利用钻石氮化镓材料的兴趣。

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钻石氮化镓晶圆利用Element Six的合成钻石。(来源:Element Six Technologies)

 

  • 催生新设计


除了作为其他材料的替代品以外,如果我们能更进一步地来看氮化镓,那么接下来的问题就是,氮化镓能让设计人员完成以前无法实现的新设计吗?

电子工程师必须了解氮化镓的哪些方面

“简单来说,氮化镓能让设计人员取得更快的开关速度以及更高的频率。这将使得产品可以做得更小(想象胶囊内建诊疗系统)、传感器分辨率更高(如无人驾驶车)、产品的重量更轻(如微型卫星)。这一切在今日皆可能实现!随着氮化镓材料的不断改善,这些产品将会更加普及,”Lidow说。

氮化镓能提供比各种替代技术更高的电压。更高的偏置电压意味着更高的功率提高效率、更低的寄生阻抗以及更宽的作业带宽。此外,Boles指出,氮化镓具有电子迁移率和饱和漂移速度的最佳组合,能在频率和功率水平方面实现目前其它任何技术无法达到的效能。“氮化镓将可使设计人员构思并实现当今无法达到的复杂微波线路和MMIC。因此,预计在未来的2-5年内,就能实现这些复杂且完全整合的高功率和高频率MMIC解决方案。”

Reep同样看好在RF/微波/毫米波应用的更大潜力,并指出,氮化镓让设计人员能以大幅缩减的DC功耗、电路面积、组件数与成本达到更高水平的RF功率。“目前利用这些优势的系统已经十分普遍了,未来将更进一步扩展——更关键的部份是在人与物之间的通讯密度急遽增加。物联网(IoT)需要利用氮化镓的性能,才能充份发挥力,”Reep说。

Ejeckam指出,透过进一步改善氮化镓技术,新的钻石氮化镓能让工程师使功率放大器的RF输出功率密度提高三倍,同时又能使氮化镓的结温较硅晶氮化镓材料更降低40-50%。“这些好处明显可影响到可靠性、系统能耗、系统成本、系统的体积/重量以及整体表现。”他指出,包括Raytheon、AFRL以及其它公司的工程师已经在最近几个月/年中陆续揭露产品在功率密度和热方面的三倍效益了。

 

  • 专家的建议

那么,在设计新产品时,电子工程师必须了解氮化镓的哪些方面?

Lidow表示,“氮化镓将在功率转换领域取代硅。为了避免过时,电子工程师现在就必须具备在氮化镓方面的经验。”

Ejeckam认为,“在非常高的电压(几百V)、高功率密度(数十KW/sq.cm)以及高频(GHz)的应用中,氮化镓优于所有的RF材料。采用钻石氮化镓的系统更大幅超越采用其它氮化镓的系统好几倍,尤其是基于碳化硅的氮化镓以及基于硅的氮化镓,即使是考虑钻石所增加的材料成本亦然。”

Reep则指出,“氮化镓如今已可使用,而且大多用于与GaAS相同的大部份应用中。然而,氮化镓的可靠性比改善场性能与生命周期成本的GaAS更高2倍。因此,电子工程师不应该以氮化镓只是GaAs替代材料的想法而使新产品设计受限。记得氮化镓的性能可望为你实现一项以往从没想过的产品。”

Boles则说:“虽然基于碳化硅的氮化镓以及硅基氮化镓在微波与毫米波频率方面表现出令人印象深刻的性能水平,但电子工程设计人员应该知道这项技术仍在不断地进展中。例如利用硅和GaAs时,不要因为其制程、设计、甚至基本结构仍持续进展而感到惊讶。短期内,设计人员应采取更加保守的途径,为基于现有氮化镓拓墣、组件和结构的应用进行设计。此外,较长期的计划可能需要设计人员灵活地采用更具前瞻性的研发概念,如为萧特基阻障层配置采用基于钻石的氮化镓或更创新的能隙解决方案,以符合最终的系统规格要求。”

 

  • 展望未来


根据MarketsandMarkets的报告指出,“从2014年至2022年的8年内,整个氮化镓半导体市场预计将以22.2%的复合年成长率(CAGR)强劲成长;全球功率半导体组件市场的CAGR更将成长超过60.5%。”

很明显地,氮化镓在一系列广泛应用中都有很大的潜力。当然,就像其它技术一样,氮化镓也存在技术障碍。而且,与任何新技术一样,或许最大的障碍就是成本。氮化镓也将受益于一些热管理的改善以及整合度的提高。但是,或许它需要的只不过是更多一点时间来证明它的价值、可靠性和寿命,从而让工程师有信心选择它用于未来的设计中。

 

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