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材料。氮化鎵(GaN)材料自從多年前開始被IEEE國際微波研討會等重要會議視為一大趨勢後，近年來已經逐漸穩定立足於RF/微波應用。接下來，氮化鎵將應用在哪些方面？它存在哪些侷限？未來又將帶來哪些可能性？

為了回答這些問題，《EETimes》記者訪問了在GaN Systems、宜普電源轉換公司(Efficient Power Conversion；EPC)、TriQuint Semiconductor、MACOM與Element Six等公司的研發團隊。

相較於矽和砷化鎵(GaAs)，氮化鎵在功率密度和功率電平方面更具優勢，但本身也存在技術限制。TriQuint基礎設施和國防產品研究資深總監Douglas H. Reep指出，GaN功率電晶體能夠達到>10W/mm的功率密度以及超過500W的功率級，然而，“從理論來看，氮化鎵技術的限制就在於基本材料性能的限制，以及我們利用氮化鎵的創造力。”

Reep表示，考慮氮化鎵的最重要因素是電晶體速度與工作電壓之間的關係，如同Johnson導出的FoM數據所示。他強調，在這種比較上，氮化鎵表現出較GaAs更高1倍以及比矽晶更高2倍的性能優勢。他補充說，氮化鎵的研發經常著重在半導體和封裝階段的熱管理。

至於高壓元件，GaN Systems最近發佈五款針對高速系統設計最佳化的650V GaN電晶體。這些650V元件具有反向電流的能力、零反向恢復充電以及電源感知等功能。該公司在去年初發佈的100V GaN功率電晶體也同樣具備這些特色。

然而，目前的技術限制在於保持可靠性的同時也必須提高工作電壓，MACOM公司資深技術研究員Tim Boles強調，必須提高電壓偏置才能實現更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。“PAE在2.5到3.5GHz以上可適時地達到70％的增幅，”他並預計，“更高的偏置電壓將可提高這項參數。”

GaN Systems總裁Girvan Patterson則認為，擊穿電壓是氮化鎵的關鍵。透過在碳化矽上利用氮化鎵，該公司已能在實驗室中獲得超過2,000V的電壓。然而，他指出，在當前基於矽的GaN技術結構，擊穿電壓仍受到垂直擊穿的限制。

這使得我們目前的工作電壓受限於650V，Patterson解釋說，“我們預期在接下來幾年可進一步開發出更好的基板材料，使工作電壓提高到900V或甚至超過1200V。”至於效率，Patterson認為，氮化鎵的使用者已經證明它可展現99%的轉換效率了，而矽晶的轉換效率還不到95%。

此外，還有熱量。Element Six技術公司防禦和航空航太業務主管Felix Ejeckam提到，氮化鎵電晶體目前尚未能達到原始功率密度的最大值，除非熱量能從發熱結處被成功地釋放出來，才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等參數。

應用

如今，進行GaN研究工作的人很少僅僅將它看做是矽或GaAs的替代品，而是看好它作為一種可在新應用中發揮作用的獨特材料，特別是它可在高頻率、高電壓和高功率密度的應用領域中帶來極具研究前景。

EPC執行長Alex Lidow強調，氮化鎵材料每天都在催生新應用。例如，大量的封包追蹤與光達(LIDAR)，以及最近大量應用於伺服器的DC-DC轉換器、D類放大器、無線充電與醫療應用等。

增強型GaN電晶體表現出高耐輻射性能，從而適用於通訊和科學衛星的功率和通訊系統。
（來源：EPC）

Patterson認為，氮化鎵的應用領域十分龐大，包括在替代能源市場的高效電源轉換、電動和混合動力車、交通運輸以及高效率的電源的應用，在利用氮化鎵後可實現高達99%的效率。此外，他還觀察到在2015年將可看到越來越多消費領域的開發人員對這款材料的興趣增加，“例如，在未來12個月，我們可望看到比現在電視更輕薄的新一代電視上市，這就是因為利用了GaN功率電晶體帶來顯著節省空間的效果。”

在RF方面，基於鑽石的氮化鎵(GaN-on-diamond)近來在作為蜂巢式基地台的RF放大器以及軍事應用的雷達方面也展現成長動能。此外，根據Ejeckam表示，在風力/PV發電系統所用的超高功率(高達幾千瓦)逆變器，也可看到對於利用鑽石氮化鎵材料的興趣。

鑽石氮化鎵晶圓利用Element Six的合成鑽石。
（來源：Element Six Technologies）

催生新設計

除了作為其他材料的替代品以外，如果我們能更進一步地來看氮化鎵，那麼接下來的問題就是，氮化鎵能讓設計人員完成以前無法實現的新設計嗎？

“簡單來說，氮化鎵能讓設計人員取得更快的開關速度以及更高的頻率。這將使得產品可以做得更小(想像膠囊內建診療系統)、感測器解析度更高(如無人駕駛車)、產品的重量更輕(如微型衛星)。這一切在今日皆可能實現！隨著氮化鎵材料的不斷改善，這些產品將會更加普及，”Lidow說。

氮化鎵能提供比各種替代技術更高的電壓。更高的偏置電壓意味著更高的功率提高效率、更低的寄生阻抗以及更寬的作業頻寬。此外，Boles指出，氮化鎵具有電子遷移率和飽和漂移速度的最佳組合，能在頻率和功率水準方面實現目前其它任何技術無法達到的效能。“氮化鎵將可使設計人員構思並實現當今無法達到的複雜微波線路和MMIC。因此，預計在未來的2-5年內，就能實現這些複雜且完全整合的高功率和高頻率MMIC解決方案。”

Reep同樣看好在RF/微波/毫米波應用的更大潛力，並指出，氮化鎵讓設計人員能以大幅縮減的DC功耗、電路面積、元件數與成本達到更高水準的RF功率。“目前利用這些優勢的系統已經十分普遍了，未來將更進一步擴展——更關鍵的部份是在人與物之間的通訊密度急遽增加。物聯網(IoT)需要利用氮化鎵的性能，才能充份發揮力，”Reep說。

Ejeckam指出，透過進一步改善氮化鎵技術，新的鑽石氮化鎵能讓工程師使功率放大器的RF輸出功率密度提高三倍，同時又能使氮化鎵的結溫較矽晶氮化鎵材料更降低40-50%。“這些好處明顯可影響到可靠性、系統能耗、系統成本、系統的體積/重量以及整體表現。”他指出，包括Raytheon、AFRL以及其它公司的工程師已經在最近幾個月/年中陸續揭露產品在功率密度和熱方面的三倍效益了。

專家的建議

那麼，在設計新產品時，電子工程師必須瞭解氮化鎵的哪些方面？

Lidow表示，“氮化鎵將在功率轉換領域取代矽。為了避免過時，電子工程師現在就必須具備在氮化鎵方面的經驗。”

Ejeckam認為，“在非常高的電壓(幾百V)、高功率密度(數十KW/sq.cm)以及高頻(GHz)的應用中，氮化鎵優於所有的RF材料。採用鑽石氮化鎵的系統更大幅超越採用其它氮化鎵的系統好幾倍，尤其是基於碳化矽的氮化鎵以及基於矽的氮化鎵，即使是考慮鑽石所增加的材料成本亦然。”

Reep則指出，“氮化鎵如今已可使用，而且大多用於與GaAS相同的大部份應用中。然而，氮化鎵的可靠性比改善場性能與生命週期成本的GaAS更高2倍。因此，電子工程師不應該以氮化鎵只是GaAs替代材料的想法而使新產品設計受限。記得氮化鎵的性能可望為你實現一項以往從沒想過的產品。”

Boles則說：“雖然基於碳化矽的氮化鎵以及矽基氮化鎵在微波與毫米波頻率方面表現出令人印象深刻的性能水準，但電子工程設計人員應該知道這項技術仍在不斷地進展中。例如利用矽和GaAs時，不要因為其製程、設計、甚至基本結構仍持續進展而感到驚訝。短期內，設計人員應採取更加保守的途徑，為基於現有氮化鎵拓墣、元件和結構的應用進行設計。此外，較長期的計劃可能需要設計人員靈活地採用更具前瞻性的研發概念，如為蕭特基阻障層配置採用基於鑽石的氮化鎵或更創新的能隙解決方案，以符合最終的系統規格要求。”

展望未來

根據MarketsandMarkets的報告指出，“從2014年至2022年的8年內，整個氮化鎵半導體市場預計將以22.2%的複合年成長率(CAGR)強勁成長；全球功率半導體元件市場的CAGR更將成長超過60.5%。”

很明顯地，氮化鎵在一系列廣泛應用中都有很大的潛力。當然，就像其它技術一樣，氮化鎵也存在技術障礙。而且，與任何新技術一樣，或許最大的障礙就是成本。氮化鎵也將受益於一些熱管理的改善以及整合度的提高。但是，或許它需要的只不過是更多一點時間來證明它的價值、可靠性和壽命，從而讓工程師有信心選擇它用於未來的設計中。

編譯：Susan Hong

(參考原文：GaN: The dawn of a new era?，by Janine Love)

資料來源:電子工程專輯