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颠覆性的半导体技术该是什么样的?

2015年09月07日 ?? 收藏2
最近Alex Lidow(前IR CEO,现EPC--Efficient Power Conversion--的CEO)发表文章,讲述了比较新的氮化镓(GaN)技术,现将这篇文章翻译出来与大家共享。

用氮化镓替代硅

38年前Alex Lidow刚从斯坦福博士毕业以后,接触到的第一个半导体项目就是开发一种新型的晶体管,性能要胜过当时主流的双极型晶体管。1970年代的晶体管大体上还是采用1947年Brattain、Bardeen和Shockley于1947年在贝尔实验室发明的晶体管工艺来生产(三人因为发明晶体管而获得1956年的诺贝尔物理学奖)。Alex Lidow和他的同事Tom Herman决心利用当时最先进的IC技术来开发新型晶体管,以打破这种30多年旧工艺的垄断。经过两人不懈的努力,以及整个开发团队的杰出贡献,最终他们发明了功率MOSFET(Alex和Tom将其命名为HEXFET)。MOSFET是一项真正的颠覆性技术,只用了大概15年的时间就取代了大部分双极型晶体管的市场份额。

这段经历使得Alex Lidow认为,一项新半导体技术是否能够成为主流技术,主要决定于以下四点:

1. 能否基于该技术产生重要的新型应用?

2. 该技术是否容易使用?

3. 对于客户来说,该技术是否在成本上极具优势?

4. 该技术是否可靠?

在功率转换领域,氮化镓工艺能够取代硅工艺成为新一代主流技术吗? 让我们逐条来看一下吧

能否基于该技术产生重要的新型应用?

氮化镓晶体管的开关速度比硅晶体管高,这将使得很多新型应用成为可能:

*包络追踪:包络追踪(实时测量信号幅度)是一种电源管理技术,用于卫星、基站和手机上的射频功率放大器(RF PA)可以利用包络追踪技术来提高其能源利用效率。信号调制时射频PA会需要不同的供电电压,包络追踪就是根据PA的需求提供相应的电压给PA。如果只采用一个固定电压给PA供电,那么为防止出现截止失真,RF PA就要工作在最大功率,包络追踪保证发射器工作在最合适的功率上,因此与固定电压供电模式相比,包络追踪更省电。氮化镓晶体管是现在唯一能在4G LTE基站实现包络追踪功能的晶体管。

*无线充电:手机、游戏机、笔记本、平板,甚至是电动汽车都可以利用无线的方式来完成充电。A4WP刚刚批准了一种高频(6.78MHz)无线充电的标准,现在硅功率器件(功率MOSFET)还不能在这么高的频率上进行工作,利用IC和氮化镓晶体管或许是一种方案,因为氮化镓晶体管的开关速度足够快。

*激光雷达(Light Distancing and Ranging,简称LiDAR):激光雷达利用脉冲激光可以快速产生周围环境的三维影像,这项技术广泛用在地理测绘和无人驾驶汽车上。氮化镓晶体管的高开关速度保证了超高的分辨率和快速相应,可以使激光雷达的应用从测绘拓展到增强现实和真正的无人驾驶汽车上。

该技术是否容易使用?

EPC开发设计的氮化镓晶体管(eGaN FET)在使用方法上与功率MOSFET很像,所以有经验的电源系统工程师只需要很少的训练就可以使用。为了帮助设计工程师快速掌握氮化镓晶体管的使用方法,EPC在氮化镓器件的教育和推广上不遗余力。EPC现在已经发表了100多篇关于氮化镓的文章和演讲稿,2011年EPC出版了业界第一本氮化镓晶体管的教科书(英文版和中文版都有)《氮化镓晶体管--高效功率转换器件》(GaN Transistors for Efficient Power Conversion),这本书的第二版已于2015年出版。EPC与全球60多所大学进行合作,目的就是为了培育新一代熟练掌握氮化镓技术的电源设计工程师。

该技术是否在成本上极具优势?

EPC设计生产的氮化镓采用类似硅功率MOSFET的工艺,但工艺步骤比MOSFET少很多。此外,不像硅MOSFET,氮化镓晶体管不需要高成本的封装来保护自己。仅封装这一项,氮化镓晶体管就可以把制造成本降低一半,再加上高良率,EPC生产的氮化镓晶体管在成本上比相对应的硅功率晶体管(性能比氮化镓晶体管要差)低很多。现在氮化镓器件的成本已经足够低,何况设计师还可以利用氮化镓的性能优势来实现系统的低成本。

该技术是否可靠?

到今天为止,无论是在制造厂经历的几千万小时的压力测试,还是实际应用当中几百亿器件时(device hour)的实测数据,都显示氮化镓技术已经满足商业应用的可靠性。

总结

开关速度快、尺寸小、成本低又可靠性高使得氮化镓晶体管具备了在功率转换领域替代MOSFET的要素,类似的分析可以得出在模拟IC领域氮化镓工艺同样具备优势,也许三到五年以后,数字IC领域也会用到氮化镓工艺,氮化镓这种新技术的好戏才刚刚开始。

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氮化镓晶体管?

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