大功率LED關(guān)鍵材料GaN開始侵食硅功率MOSFET市場

超級半導(dǎo)體材料GaN(氮化鎵)的時(shí)代正開啟。它比傳統(tǒng)的硅和GaAs(砷化鎵)更加耐壓，已成為大功率LED的關(guān)鍵材料之一，并在射頻領(lǐng)域中受寵，其中包括Cree、RFMD以及Eudyna和Nitronex推出針對這些市場的GaN產(chǎn)品。另外包括IR、ST、富士通、松下，以及新晉的EPC(宜普)公司等都介入到GaN器件市場。iSuppli數(shù)據(jù)預(yù)測GaN器件的TAM到2013年達(dá)到109億美元，而EPC產(chǎn)品的潛在市場價(jià)值70億美元并將以11.1%的年增長率增長，該公司的共同創(chuàng)始人和CEO Alex Lidow如是表示。

2004年，Eudyna推出基于SiC基板的耗盡型GaN射頻晶體管；隨后Nitronex推出硅基耗盡型GaN射頻晶體管。而IR年初也推出的其首款硅基GaN功率器件――耗盡型的iP2010和iP2011。而與競爭產(chǎn)品不同，EPC推出了增強(qiáng)型GaN功率晶體管，其硅基GaN技術(shù)建立于150mm晶圓的標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝。在GaN和硅基底中間，有一個(gè)氮化鋁隔離層(見圖1)。

據(jù)Alex介紹，其產(chǎn)品最潛在的市場機(jī)遇是替換功率MOSFET。

圖1：EPC的增強(qiáng)型GaN器件結(jié)構(gòu)，其可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造

有意思的是，EPC與Alex的前東家IR(國際整流器)將在GaN功率市場上共舞，并都斷言傳統(tǒng)的硅功率MOSFET性能的發(fā)掘已到極限。盡管GaN開始侵食功率MOSFET市場，但其供應(yīng)商決不會輕易將30年來創(chuàng)建的市場拱手相讓。Alex認(rèn)為，5年之內(nèi)，硅MOSFET仍將活躍在功率市場。

該公司目前在40Ｖ、100V和200V領(lǐng)域已各有兩款產(chǎn)品，2010年底將推出400V和600V的GaN產(chǎn)品，屆時(shí)將可覆蓋90%的現(xiàn)有功率MOSFET市場，而移動設(shè)施、筆記本電腦、服務(wù)器和交換機(jī)/集線器將是其產(chǎn)品滲透率最高的市場領(lǐng)域。譬如，服務(wù)器的功耗成本幾乎等于服務(wù)器本身，一個(gè)雙處理器的服務(wù)器卡消耗的450W功率中，有160W在電源轉(zhuǎn)換過程所消耗，而GaN技術(shù)可以將總服務(wù)器功耗降低18%。

但使用突破性新材料的半導(dǎo)體產(chǎn)品如何才能保證獲取市場上的成功？Alex認(rèn)為成功將需要4大要素：支持新功能的潛在能力、易于使用、成本效益和更可靠。

Alex相信，隨著新的GaN晶體管快速覆蓋當(dāng)前功率MOSFET/IGBT的電壓/電流范圍，其在AC/DC、同步整流和PFC中都將明顯提升性能。而增強(qiáng)型GaN晶體管與功率MOSFET非常類似，因此設(shè)計(jì)人員可以充分利用已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。但他同時(shí)提醒，GaN晶體管的柵穿效應(yīng)(gate rupture)比功率MOSFET更加敏感，因此要注意ESD保護(hù)，以及其高頻特性也要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)PCB版圖時(shí)多加小心。

對于給定器件面積的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品而言，導(dǎo)通電阻RDS(ON)是成本的決定性因素，而由于GaN器件比硅器件更加耐壓，對導(dǎo)通電阻的負(fù)面影響更小。EPC的200V GaN器件的導(dǎo)通電阻為25微歐，且由于采用倒裝技術(shù)，也可進(jìn)一步降低成本。然而，當(dāng)前硅基GaN的外延生長要比硅外延昂貴得多。

表：增強(qiáng)型GaN晶體管與硅MOSFET制造成本對比。

但Alex指出，隨著GaN器件的廣泛采用，5年后GaN外延生長的成本有望接近硅外延生長的成本(見表1)。而在可靠性方面，Alex表示，從業(yè)界公布的數(shù)據(jù)和EPC的測試數(shù)據(jù)來看，GaN技術(shù)已在商業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出可接受的水平。因此他堅(jiān)信在臺灣的漢磊科技(Episil)的晶圓代工支持下，EPC的巨大產(chǎn)能蓄勢待發(fā)。