硅功率MOSFET在电源转换领域的应用

应用, 已刊载于数千条的应用笔记。GaN用户可能要花几年时间才能理解如此大量的知识，但是因为增强型GaN晶体管和硅功率MOSFET之间的相似性，这些知识及经验将继续有效。是以指导用户使用具有非凡特性的GaN的应用笔记, 可从许多现有资料来源找到(11, 12)。

对用户而言是否极具成本效益?

基于不同技术而制成的产品, 其成本比较需要慎重进行。另外，如果供需失衡，产品价格就不能真实反映其成本。由于GaN功率晶体管市场还在发展的早期阶段，因此最有意义的信息是在硅功率MOSFET和市场上第一代增强型晶体管之间的成本比较。

影响产品成本的基本因素有：

初始材料

外延生长

晶圆制造

测试与装配

为了便于分析，影响成本的其它因素如良率、工程成本、包装和运输成本以及一般开销成本,在不同的技术下被设定为相同。

初始材料

硅基GaN器件一般在150mm基板上生产(未来产品将移植到200mm)，而这一领域中的许多制造商是在100mm至200mm的基板上生产功率MOSFET的。由于GaN器件使用标准的硅基板，因此与在相同直径的初始材料上制造功率MOSFET相比, 成本不变。事实上，在150mm和200mm硅晶圆之间, 每单位面积的成本差别是很少，因此我们可以得出的结论是GaN在每片晶圆之起始材料方面，就不存在真正的成本差异。如果考虑到具有相同电流承载能力的GaN器件面积比硅器件小，那么GaN每个功能的成本会更低。

外延生长

硅外延生长是一种成熟技术，许多公司都制造高效率和自动化的机器。MOCVD GaN设备至少有两个来源，即美国的Veeco (13)和德国的Aixtron (14)。这两家公司都制造功能强大且可靠的机器，这些机器的主要用途就是发光二极管制造中使用的GaN外延生长。没有一台机器针对硅基GaN外延优化过，也没有硅机器中常见的自动化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延较为昂贵。

但这种情况不是一成不变的。由于没有像硅器件那样的极限值，工艺次数和温度、晶圆直径、材料成本和机器产能都在快速进步。在今后几年内，假如GaN作为硅功率MOSFET替代品而得到广泛采纳，那么GaN外延成本有望迅速接近硅外延的成本。

晶圆制造

图1所示的简单结构在标准硅晶圆代工厂那里制造并不复杂。加工温度与硅CMOS相似，而且交叉污染也很容易管理。目前宜普公司的所有晶圆都在Episil公司加工，这是一家著名的台湾代工厂。

在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圆制造成本之间没有材料方面的差异。

测试与装配

硅基GaN器件的成本结构在装配工艺上有很大的区别,尤胜硅功率MOSFET，而测试成本是相同的。

硅功率MOSFET需要一个通常由铜引线框、一些铝、金或铜线组成的环绕封装，所有东西都在浇铸的环氧封套内。对垂直硅器件的顶部和底部需要做连接，并且需要通过塑料压模防止湿气进入有源器件，及将热量排出器件的方法。

诸如SO8、TO220或DPAK等传统功率MOSFET封装会增加成本、电阻和热阻，并增加影响产品可靠性和质量的风险。

硅基GaN可以用作“倒装芯片”，不会影响电气、散热或可靠性能。

从图8可以看出，有源器件区域是与硅基板隔离的，很像蓝宝石上硅器件。因此，有源GaN器件可以由钝化层完全密封。另外，硅基板可以直接连接到散热器，实现出色的散热性能。

图8：硅基GaN可以用作“倒装芯片”。有源器件与硅基板相隔离，因此可以在划片前实现完全密封。

总而言之，硅基GaN不需要封装，因此能去除与封装相关的一切成本、电路板面积、热阻、电阻及封装后功率器件经常遇到的可靠性问题。

表2罗列了2010年硅基GaN与硅功率晶体管的单位面积成本差异，并对2015年时的成本差异作了预测。由于相同功能的硅基GaN器件面积更小，总的结论是硅基GaN表现可以尤胜表2所列。

表2

GaN可靠吗?

在硅功率MOSFET方面累积的可靠性信息量是非常令人吃惊的。多年来许多人一直在埋头理解故障机制、控制和调整工艺，并设计出有别于其它产品的、作为任何电源转换系统中高可靠性的产品基准。

硅基GaN晶体管才刚开始这一旅程。然而，初步结果极其鼓舞人心。Nitronex公司已经发布了他们的质量鉴定试验结果(15)，器件并已成功应用于许多射频方案，效果良好。

图9、10和11显示了器件的中期表现结果。从图中可以看到被测试器件在经过1000小时的栅极应力测试、漏极至源极应力测试和暴露在高湿环境且有偏置条件下的稳定性。

宜普公司还将器件用在48V至1V DC/DC转换器中，在最大应力条件下连续工作1000小时也没有发生故障。

我们理解与这种新技术有关的各种故障机制还需要做很多工作。所有进入这一个全新领域的工程人员员=都有望给这个知识库作出贡献。从目前我们拥有的