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硅功率MOSFET前景堪憂?

發布時間:2013-05-15 責任編輯:felixsong

【導讀】30年前硅功率MOSFET的出現使市場快速接受開關電源,硅功率MOSFET成為很多應用的必選功率器件。近些年來,MOSFET不可避免地進入到性能瓶頸期;然而與此同時,增強型GaN HEMT器件在開關性能和整個器件帶寬有突破性改善,迅速占領市場。硅功率MOSFET在電源轉換領域的發展已經走到盡頭了嗎?

30年前硅功率MOSFET的出現使市場快速接受開關電源,硅功率MOSFET成為很多應用的必選功率器件。近些年來,MOSFET不可避免地進入到性能 瓶頸期;然而與此同時,增強型GaN HEMT器件在開關性能和整個器件帶寬有突破性改善,迅速占領市場。硅功率MOSFET在電源轉換領域的發展已經走到盡頭了嗎?

擁有30年發展史的硅功率MOSFET

功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現于1976年。與那些少數載流子器件相比,這些多數載流子器件速度更快、更堅固,并且具有更高的電流增益。因此開關型電源轉換技術得以真正商用化。早期臺式電腦的AC/DC開關電源是最早使用功率MOSFET的批量消費產品之一,隨后出現了變速電機驅動、熒光燈、DC/DC轉換器等數千種如今已經深入我們日常生活的其它應用。

國際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導通電 阻,樹立了那個時代的基準。由于裸片尺寸超過40mm2,價格高達34美元,因此這種產品沒有立即廣泛地替代傳統的雙極晶體管。

多年來許多制造商持續推出了許多代功率MOSFET產品。30年多來,基準基本上每年都會更新。至寫這篇文章時,100V基準公認為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質因數(FOM)相比,IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個值幾乎已經達到硅器件的理論極限。

不過改進仍在持續。例如,CoolMOS器件和IGBT的導通性能已經超過了簡單垂直型多數載流子MOSFET的理論極限。這些創新在相當長一段時間內可能還會繼續,并且會充分利用功率MOSFET的低成本結構和訓練有素的設計師,而這些設計師經過多年實踐后已經學會如何有效發掘電源轉換電路和系統的性能。

開啟GaN新時代

HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現于2004年左右,當時日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用GaN,Eudyna公司成功生產出為射頻市場設計的晶體管。HEMT結構基于的是1975年最先由T Mimura et al描述,并且在1994年再次由M. A. Khan et al描述的一種現象,這種現象展示了接近AlGaN和GaN異質結構界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現象應用于碳化硅上生長的氮化鎵,Eudyna公司成功生產出在數兆赫茲頻率范圍內的基準功率增益。2005年,Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管,這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造,采用的是公司自己的SIGANTIC技術。

隨著另外幾家公司參與市場,GaN射頻晶體管在射頻應用領域繼續闊步前進。但這個市場之外的接受性非常有限,主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。

圖1:硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類似的非常簡單結構,可以在標準CMOS代工廠制造。
圖1:硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類似的非常簡單結構,可以在標準CMOS代工廠制造。

突破屏障

30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們,控制突破性技術的普及率有四大關鍵因素:

1.這種技術能否支持重大的新功能?

2.這種技術是否容易使用?

3.這種技術對用戶來說是否極具成本效益?

4.這種技術是否可靠?

在接下來的章節中我們將根據上述四條準則展開討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現狀。然后我們會進一步了解GaN的近期開發計劃,并預測它們對電源轉換行業的影響。

GaN功率晶體管支持的新功能

增強型GaN HEMT器件(eHEMT)能支持的最大新功能是開關性能和整個器件帶寬的突破性改善(見圖2)。GaN擁有比硅高得多的關鍵電場,因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓,而對導通電阻的負面影響卻很小。
圖2:宜普公司增強型GaN功率晶體管的增益與頻率關系曲線
圖2:宜普公司增強型GaN功率晶體管的增益與頻率關系曲線。

在功率MOSFET中,在器件從導通到關斷(或從關斷到導通狀態)所需的器件傳導率和電荷數量之間需要做一個基本的權衡。從這種權衡可以推導出稱為RQ乘積的品質因數。這個指標被定義為器件的導通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開關器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實表明,這一指標的改善有助于提高高頻DC/DC轉換器的轉換效率。RQ的絕對值一般也反映了實際電路中可以實現的最小脈寬。雖然過去幾年中RQ乘積得到了很大的改善,但硅功率MOSFET的品質因數仍未真正接近市場上已經推出的第一代eHEMT器件。圖3對額定電壓為100V和200V的基準硅器件和GaN器件作了比較。
圖3:100V和200V的基準硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較
圖3:100V和200V的基準硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較

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DC/DC轉換器

能夠快速開關并且沒有太多功率損失意味著用戶在電源轉換電路中可以采用更小的脈沖寬度。需要這種能力的一種重要新興應用是非隔離型DC/DC轉換器。硅功率MOSFET的基本極限性能限制了單級非隔離型降壓轉換器的指標,其實際的輸入電壓與輸出電壓之比最大值只能達到10:1。除了這個比值外,降壓電路頂端晶體管要求的短脈寬也將導致不可接受的高開關損耗和由此引起的低轉換效率。GaN晶體管完全打破了這一性能框架,如圖4和圖5所示。
圖4:不同輸入電壓下降壓轉換器效率與電流的關系
圖4:不同輸入電壓下降壓轉換器效率與電流的關系

圖5a:在降壓拓撲中使用EPC1001晶體管實現的300kHz 48V至1V轉換波形
圖5a:在降壓拓撲中使用EPC1001晶體管實現的300kHz 48V至1V轉換波形

圖5b:開關頻率為1.5MHz的48V至1V轉換波形
圖5b:開關頻率為1.5MHz的48V至1V轉換波形
 
圖5c:48V至0.5V轉換波形
圖5c:48V至0.5V轉換波形

GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外,還能顯著降低降壓轉換器在任何VIN/VOUT比值時的開關損耗。比較12V至1V轉換器就可以發現這種性能的顯著改善,見圖6。

圖6:對三種流行的負載點轉換器和采用EPC1014 EPC1015 GaN晶體管開發的轉換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開關頻率為600kHz時的功率損失比較
圖6:對三種流行的負載點轉換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開發的轉換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開關頻率為600kHz時的功率損失比較

隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍,AC/DC轉換、同步整流和功率因素校正都將能實現明顯的性能提高。

D類音頻放大器

D類音頻放大器經常面臨著成本、體積和聲音失真之間的折衷考慮。影響失真的最大因素是死區時間和輸出濾波器的相移。

D類音頻放大器有三種根據死區時間改變輸出脈寬的獨特操作模式。正向電感電流模式是基于高側開關進行整流,反向電感電流模式是基于低側開關進行整流,而雙向電流則基于每個開關進行整流。這些模式將死區時間分別設置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死區時間長短決定了與這種現象有關的失真度。有限開關速度和體二極管前向電壓將進一步增強這一效應。增強型GaN晶體管具有非常低的柵極電荷,因此具有非常短的延時和非常快的開關速度。高精度的開關允許更好地控制開關情況,進一步縮短死區時間,從而實現更低的失真。

輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開關頻率決定。在低開關頻率時,必須使用大的濾波電容和電感,以便從想要的信號中消除載波頻率。大值的濾波元件不僅增加了放大器的成本和尺寸,還會造成相移,從而降低系統的穩定性,限制用于補償許多元件失真的反饋增益,最終影響系統的保真度。采用傳統硅MOSFET時開關頻率非常有限,因為功耗會由于高開關損耗而迅速上升。

GaN晶體管能夠同時提供低的RDS(ON)和低的柵極電荷(QG),因此在數MHz范圍內都能提供出色的效率。這時放大器可以使用更小值的濾波元件,從而減少它們對成本、尺寸和失真的影響,并允許更高的增益反饋,減小開關放大器對失真的影響。是以增強型GaN晶體管可以給D類應用帶來明顯更高的保真度和更低的成本。

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增強型GaN晶體管易于使用嗎?

器件是否容易使用取決于多方面因素,包括使用者技能、待開發電路的難易程度、與用戶熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶使用器件的工具可用性等。

新一代增強型GaN晶體管的行為與現有功率MOSFET非常相似,因此用戶可以充分利用已有的設計經驗。有兩個關鍵領域需要特別加以關注:較低的柵極電介強度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數量級)和較高的頻率響應。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強度將隨著技術的成熟而不斷提高。同時,需要采取一定的措施消除工作區的靜電放電現象,并且設計電路時要保持VGS低于數據手冊中的最大值。第二種差異——較高頻率響應不僅是指階躍函 數性能比以前任何硅器件要高,而且用戶在設計電路版圖時需要多加考慮。例如,少量的雜散寄生電感可能導致柵極至源極電壓發生較大的過沖現象,進而有可能損壞器件。

另一方面,也有幾種特性使得這些器件比它們的前代硅器件更加容易使用。例如,閾值電壓實際上在很寬范圍內獨立于溫度,導通電阻的溫度系數也比硅小得多。

GaN晶體管也能夠在高達300℃的溫度下正常工作,但在125℃以上,PCB的焊接會影響實際應用。因此第一款商用增強型器件的工作溫度最高為125℃。

圖7:從易用性的角度對硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶體管的基本特性作了較為完整的比較
圖7:從易用性的角度對硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶體管的基本特性作了較為完整的比較

易于使用的工具對新器件的易用性起了很大的作用。圖8顯示了一個簡單電路,并對實際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結果作了比較。雖然還需要做多些使這些模型操作完善的工作,但第一代產品應提供相當可靠的電路性能預測,從而提高 工程師的產能,縮短產品上市時間。

圖8:電路圖及EPC1001 TSPICE仿真結果與實際測量的電路性能的波形圖比較
圖8:電路圖及EPC1001 TSPICE仿真結果與實際測量的電路性能的波形圖比較

影響產品成本的基本因素有:

影響產品成本的基本因素有四個:(1)初始材料;(2)外延生長;(3)晶圓制造;(4)測試與裝配。

為了便于分析,影響成本的其它因素如良率、工程成本、包裝和運輸成本以及一般開銷成本,在不同的技術下被設定為相同。

初始材料

硅基GaN器件一般在150mm基板上生產(未來產品將移植到200mm),而這一領域中的許多制造商是在100mm至200mm的基板上生產功率MOSFET的。由于GaN器件使用標準的硅基板,因此與在相同直徑的初始材料上制造功率MOSFET相比,成本不變。事實上,在150mm和200mm硅晶圓之間,每單位面積的成本差別是很少,因此我們可以得出的結論是GaN在每片晶圓之起始材料方面,就不存在真正的成本差異。如果考慮到具有相同電流承載能力的GaN器件面積比硅器件小,那么GaN每個功能的成本會更低。

外延生長

硅外延生長是一種成熟技術,許多公司都制造高效率和自動化的機器。MOCVD GaN設備至少有兩個來源,即美國的Veeco和德國的Aixtron。這兩家公司都制造功能強大且可靠的機器,這些機器的主要用途就是發光二極管制造中使用的GaN外延生長。沒有一臺機器針對硅基GaN外延優化過,也沒有硅機器中常見的自動化水平。因此,硅基GaN外延要比目前的硅外延較為昂貴。

但這種情況不是一成不變的。由于沒有像硅器件那樣的極限值,工藝次數和溫度、晶圓直徑、材料成本和機器產能都在快速進步。在今后幾年內,假如GaN作為硅功率MOSFET替代品而得到廣泛采納,那么GaN外延成本有望迅速接近硅外延的成本。

晶圓制造

圖1所示的簡單結構在標準硅晶圓代工廠那里制造并不復雜。加工溫度與硅CMOS相似,而且交叉污染也很容易管理。

在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圓制造成本之間沒有材料方面的差異。

測試與裝配

硅基GaN器件的成本結構在裝配工藝上有很大的區別,尤勝硅功率MOSFET,而測試成本是相同的。

硅功率MOSFET需要一個通常由銅引線框、鋁、金或銅線組成的環繞封裝,全都在澆鑄的環氧封套內。對垂直硅器件的頂部和底部需要做連接,并且需要通過塑料壓模防止濕氣進入有源器件,及將熱量排出器件的方法。

諸如SO8、TO220或DPAK等傳統功率MOSFET封裝會增加成本、電阻和熱阻,并減少產品可靠性和質量。

硅基GaN可以用作“倒裝芯片”,不會影響電氣、散熱或可靠性能。

從圖9可以看出,有源器件區域是與硅基板隔離的,很像藍寶石上硅器件。因此,有源GaN器件可以由鈍化層完全密封。另外,硅基板可以直接連接到散熱器,實現出色的散熱性能。

圖9:硅基GaN可以用作“倒裝芯片”。有源器件與硅基板相隔離,因此可以在劃片前實現完全密封
圖9:硅基GaN可以用作“倒裝芯片”。有源器件與硅基板相隔離,因此可以在劃片前實現完全密封

總而言之,硅基GaN不需要封裝,因此能去除與封裝相關的一切成本、電路板面積、熱阻、電阻及封裝后功率器件經常遇到的可靠性問題。

圖10羅列了2010年硅基GaN與硅功率晶體管的單位面積成本差異,并對2015年時的成本差異作了預測。由于相同功能的硅基GaN器件面積更小,總的結論是硅基GaN表現可以尤勝圖10所列。

圖10:2010年硅基GaN與硅功率晶體管的單位面積成本差異
圖10:2010年硅基GaN與硅功率晶體管的單位面積成本差異

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GaN可靠嗎?

在硅功率MOSFET方面累積的可靠性信息量是非常令人吃驚的。多年來許多人一直在埋頭理解故障機制、控制和調整工藝,并設計出有別于其它產品的、作為任何電源轉換系統中高可靠性的產品基準。

硅基GaN晶體管才剛開始這一旅程。然而,初步結果極其鼓舞人心。Nitronex公司已經發布了他們的質量鑒定試驗結果,器件并已成功應用于許多射頻方案,效果良好。

圖11、12和13顯示了器件的中期表現結果。從圖中可以看到被測試器件在經過1000小時的柵極應力測試、漏極至源極應力測試和暴露在高濕環境且有偏置條件下的穩定性。
宜普公司還將器件用在48V至1V DC/DC轉換器中,在最大應力條件下連續工作1000小時也沒有發生故障。

我們理解與這種新技術有關的各種故障機制還需要做很多工作。所有進入這一個全新領域的工程人員都有望給這個知識庫作出貢獻。從目前我們擁有的數據來看,這種技術如今已經能夠在商業應用中達至可接受的可靠水平。
圖11:在125℃和+5Vgs條件下1000小時柵極應力能力
圖11:在125℃和+5Vgs條件下1000小時柵極應力能力
圖12:在125℃和100VDS條件下1000小時漏極至源極應力能力
圖12:在125℃和100VDS條件下1000小時漏極至源極應力能力
圖13:在相對濕度85%、溫度85℃、100VDS和沒有underfill情況下1000小時濕度應力能力
圖13:在相對濕度85%、溫度85℃、100VDS和沒有underfill情況下1000小時濕度應力能力
圖14:在40℃環境溫度和10A電流條件下使用兩個EPC1001 GaN晶體管的DC DC轉換器, 于連續工作1000小時后的結果
圖14:在40℃環境溫度和10A電流條件下使用兩個EPC1001 GaN晶體管的DC/DC轉換器, 于連續工作1000小時后的結果

未來發展方向

GaN發展之路才剛剛開始。以品質因數RQ代表的基本器件性能將得到根本性的提升。隨著人們對材料和工藝的進一步了解,在今后三年內性能極有希望提高2倍,在今后10年內有望提高10倍。

對GaN來說,影響電源轉換系統性能的最大機會也許來自在相同基板上同時集成功率級和信號級器件的固有能力。硅基GaN非常像SOI,在元件之間沒有顯著的寄生交互,因此設計師能夠很容易地在單個芯片上開發出單片電源系統。

圖15、16和17顯示了已經制造出來的各種集成器件。圖15是松下公司制造的三相電機控制IC(17),內含用6個功率晶體管設計的板載IC驅動器。圖16是宜普公司開發的全橋功率器件,圖17則是宜普公司提供的板載驅動器的功率晶體管。
圖15:帶集成控制和增強型GaN功率器件的單片三相反相器IC
圖15:帶集成控制和增強型GaN功率器件的單片三相反相器IC
圖16:宜普公司的單片全橋器件
圖16:宜普公司的單片全橋器件
圖17:宜普公司提供的帶集成式驅動器的GaN功率晶體管
圖17:宜普公司提供的帶集成式驅動器的GaN功率晶體管

在二十世紀七十年代晚期,功率MOSFET的開發先驅相信他們擁有了一種能夠完全替代雙極晶體管的技術。三十年后的今天,我們仍有大量應用選擇了雙極晶體管而不是功率MOSFET,但功率MOSFET市場規模要比雙極晶體管市場大許多倍,因為所有新的應用和新的市場都是由這種突破性技術培育出來的。

今天,增強型硅基GaN站在同樣的起跑線上。與1976年時的功率MOSFET一樣,我們正在開始令人興奮的旅程,幾乎每個月都有新產品和突破性功能推出。

功率MOSFET不會被完全淘汰出局,但其性能和成本的重大改善行將結束。在將來的十年內,GaN由于在性能和成本方面的巨大優勢而很可能成為主導技術。隨著學習曲線的不斷展開,這種優勢將進一步擴大。

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