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商品化氮化鎵功率元件 準備好了沒?

  • 詹益仁

使用氮化鎵元件的AC/DC充電器,不僅體積縮小甚多,而輸出的功率可達65W甚至更高。小米

日前在台北舉行的SEMICON會議中,個人受邀以氮化鎵在功率元件的應用為主題發表演講,並且以商品化為主軸來檢視其未來的發展。在此整理該演講的內容及個人的觀點,以饗讀者。

氮化鎵是一個很神奇的半導體,它的應用涵蓋了光電領域,LED、雷射;電子領域,微波/毫米波功率放大器(PA)、高功率元件。在光電領域的應用,如藍光、綠光、紫外光的LED以及藍光雷射都早已商品化,並已建立了相當規模的產業。

至於在電子領域,氮化鎵應用於微波及毫米波的放大器,其性能以及可靠度均已成熟,只是在等待市場的起飛。氮化鎵因為可以操作在比較高的直流偏壓,因此比砷化鎵有著較高的功率密度。以5G的市場而言,在sub-6GHz的頻段下,手機的功率放大器仍會是延續既有砷化鎵的技術,而基站則是Si LDMOS為主,可能有部分會使用氮化鎵。

若市場進入毫米波,基站的部分會由氮化鎵所取代,因為線性度及效率的需求,氮化鎵是遠優於LDMOS。至於毫米波手機的功率放大器,坦白說目前還看不到有解決的方案,因為在毫米波的頻段,目前所有功率放大器的效率都嚴重不足,會影響到手機使用的時間。

接下來探討氮化鎵在高功率元件的應用,功率元件在不同的崩潰電壓操作下,大致可分為高壓的650V、中壓的100V,以及低壓的40V,主要是在AC轉DC以及DC轉DC的電源系統上的應用。在2020年的CES,展示了多款使用氮化鎵元件的AC/DC充電器,不僅體積縮小甚多,而輸出的功率可達65W甚至更高,並且擁有多孔的輸出。因此未來只需要一個充電器,就可以同時充筆電、手機以及其他裝置了。但是為甚麼氮化鎵可以做到過往在矽基板元件上無法達到的特性?

這必須由元件的物理來說明。不同的功率元件在相同的崩潰電壓條件下,有兩個最重要的參數,一個是元件的輸出電阻,這決定了元件輸出的功率及效率;另一個是元件的輸入電容,也就是充放電的電荷,這決定了元件的操作頻率。這兩個參數都需越小越好。或可能為了降低元件的輸出電阻,而將元件的面積刻意做大,但此舉卻會增加元件輸入端的電容。因此一個客觀的比較是將兩個參數相乘,而得到所謂的FoM,此乘積當然是越小越好了。崩潰電壓650V的氮化鎵元件其FoM是性能最好矽基板元件(superjunction MOS)的1/10,也就是10倍的優勢,而100V的氮化鎵是矽元件的3倍,40V氮化鎵此優勢則僅有約30%。

650V元件通常應用於AC/DC的電源轉換,氮化鎵具有其十倍的優勢,自然是充電器的首選。使用氮化鎵的充電器不僅可有較高的輸出功率以及轉換效率,同時在操作頻率上,可以由之前的100KHz,提升到300KHz甚至600KHz。操作頻率的增加,無形中就縮減了充電器的體積。

另需一提的是,過往650V氮化鎵元件一直有可靠度的問題,這部份不僅透過磊晶以及製程上的努力來加以改善,更重要的是在充電器的電路架構上開始使用了軟開關(soft switch)的機制,也就是高電壓以及大電流不會同時加諸在氮化鎵元件上。此舉不僅提升了效率,又可以更進一步地保障氮化鎵的可靠度。

100V氮化鎵元件挾其三倍的優勢,開始在48V DC/DC電源的轉換嶄露頭角,尤其現階段CPU、GPU、FPGA、ASIC等運用在高速運算系統的IC,其所需求的功率越來越高,最近GPU的加速卡已超過500W,並邁向1000W大關。DC電源系統也由12V 轉換到48V,100V氮化鎵不僅可以提升效率,同時操作頻率可達到1MHz以上,假以時日我們將會看到這方面越來越多的應用。至於崩潰電壓在40V以下氮化鎵元件則不具有競爭優勢,這部分仍會是trench MOS的天下。

氮化鎵元件結構上最為關鍵的部分是閘極開關(gate),在微波/毫米波功率放大器所使用的是金屬與氮化鎵的接觸(MESFET),此架構下通道的電流是遠離金屬與氮化鎵的介面,因此不會有介面(interface)及可靠度的問題。但是在功率元件上,我們需要的是在零偏壓下閘極是關閉的,此架構下通道的電流與閘極是接觸的。因此有2個選擇:一個是使用絕緣層(MIS,類似MOS),另一選擇是p-GaN閘極。

MIS在化合物半導體已經是個被研究超過四十年的題目,從來就沒有過成功的案例,因此p-GaN成為唯一的選擇。但是p-GaN在稍大的正偏壓下,會導致閘極開關的導通,因此p-GaN需要另外設計驅動器(driver)。所幸氮化鎵的驅動器可以與氮化鎵功率元件整合在同一晶片上,並已有少數的公司提供了這類的產品。

最後大家所關心的是氮化鎵的價格,基本上目前都是使用六吋矽晶圓舊廠來製作,除了磊晶外只要是需求量起來,其價格應該可以對比到矽元件,目前磊晶佔總成本的一半。氮化鎵磊晶最大的挑戰在於製程時間過長,以及機台是否能維持長期的穩定度及磊晶的均勻性,這有賴MOCVD設備廠商的努力。

650V氮化鎵元件在AC/DC充電器的應用會是個破壞式的創新,在既有的系統中加入新的元素,而改變了產業生態;此外100V DC/DC的應用將指日可待。氮化鎵在功率元件的應用上,經歷了十多年的篳路藍縷,克服了種種在生產製造以及市場開拓的挑戰,如今已稍具雛型。

看完文章,在未來在商品化的應用,你覺得氮化鎵準備好了沒?

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。