用氮化鎵替代硅

　　38年前AlexLidow剛從斯坦福博士畢業以后，接觸到的第一個半導體項目就是開發一種新型的晶體管，性能要勝過當時主流的雙極型晶體管。1970年代的晶體管大體上還是采用1947年Brattain、Bardeen和Shockley于1947年在貝爾實驗室發明的晶體管工藝來生產（三人因為發明晶體管而獲得1956年的諾貝爾物理學獎）。AlexLidow和他的同事TomHerman決心利用當時最先進的IC技術來開發新型晶體管，以打破這種30多年舊工藝的壟斷。經過兩人不懈的努力，以及整個開發團隊的杰出貢獻，最終他們發明了功率MOSFET（Alex和Tom將其命名為HEXFET）。MOSFET是一項真正的顛覆性技術，只用了大概15年的時間就取代了大部分雙極型晶體管的市場份額。

　　這段經歷使得AlexLidow認為，一項新半導體技術是否能夠成為主流技術，主要決定于以下四點：

　　1.能否基于該技術產生重要的新型應用？

　　2.該技術是否容易使用？

　　3.對于客戶來說，該技術是否在成本上極具優勢？

　　4.該技術是否可靠？

　　在功率轉換領域，氮化鎵工藝能夠取代硅工藝成為新一代主流技術嗎？讓我們逐條來看一下吧

　　能否基于該技術產生重要的新型應用？

　　氮化鎵晶體管的開關速度比硅晶體管高，這將使得很多新型應用成為可能：

　　*包絡追蹤：包絡追蹤（實時測量信號幅度）是一種電源管理技術，用于衛星、基站和手機上的射頻功率放大器（RFPA）可以利用包絡追蹤技術來提高其能源利用效率。信號調制時射頻PA會需要不同的供電電壓，包絡追蹤就是根據PA的需求提供相應的電壓給PA。如果只采用一個固定電壓給PA供電，那么為防止出現截止失真，RFPA就要工作在最大功率，包絡追蹤保證發射器工作在最合適的功率上，因此與固定電壓供電模式相比，包絡追蹤更省電。氮化鎵晶體管是現在唯一能在4GLTE基站實現包絡追蹤功能的晶體管。

　　*無線充電：手機、游戲機、筆記本、平板，甚至是電動汽車都可以利用無線的方式來完成充電。A4WP剛剛批準了一種高頻（6.78MHz）無線充電的標準，現在硅功率器件（功率MOSFET）還不能在這么高的頻率上進行工作，利用IC和氮化鎵晶體管或許是一種方案，因為氮化鎵晶體管的開關速度足夠快。

　　*激光雷達（LightDistancingandRanging，簡稱LiDAR）：激光雷達利用脈沖激光可以快速產生周圍環境的三維影像，這項技術廣泛用在地理測繪和無人駕駛汽車上。氮化鎵晶體管的高開關速度保證了超高的分辨率和快速相應，可以使激光雷達的應用從測繪拓展到增強現實和真正的無人駕駛汽車上。

　　該技術是否容易使用？

　　EPC開發設計的氮化鎵晶體管（eGaNFET）在使用方法上與功率MOSFET很像，所以有經驗的電源系統工程師只需要很少的訓練就可以使用。為了幫助設計工程師快速掌握氮化鎵晶體管的使用方法，EPC在氮化鎵器件的教育和推廣上不遺余力。EPC現在已經發表了100多篇關于氮化鎵的文章和演講稿，2011年EPC出版了業界第一本氮化鎵晶體管的教科書（英文版和中文版都有）《氮化鎵晶體管--高效功率轉換器件》（GaN Transistors for Efficient Power Conversion），這本書的第二版已于2015年出版。EPC與全球60多所大學進行合作，目的就是為了培育新一代熟練掌握氮化鎵技術的電源設計工程師。

　　該技術是否在成本上極具優勢？

　　EPC設計生產的氮化鎵采用類似硅功率MOSFET的工藝，但工藝步驟比MOSFET少很多。此外，不像硅MOSFET，氮化鎵晶體管不需要高成本的封裝來保護自己。僅封裝這一項，氮化鎵晶體管就可以把制造成本降低一半，再加上高良率，EPC生產的氮化鎵晶體管在成本上比相對應的硅功率晶體管（性能比氮化鎵晶體管要差）低很多?，F在氮化鎵器件的成本已經足夠低，何況設計師還可以利用氮化鎵的性能優勢來實現系統的低成本。

　　該技術是否可靠？

　　到今天為止，無論是在制造廠經歷的幾千萬小時的壓力測試，還是實際應用當中幾百億器件時（devicehour）的實測數據，都顯示氮化鎵技術已經滿足商業應用的可靠性。

　　總結

　　開關速度快、尺寸小、成本低又可靠性高使得氮化鎵晶體管具備了在功率轉換領域替代MOSFET的要素，類似的分析可以得出在模擬IC領域氮化鎵工藝同樣具備優勢，也許三到五年以后，數字IC領域也會用到氮化鎵工藝，氮化鎵這種新技術的好戲才剛剛開始。