向前迈进 eGaN FET全新市场及应用分析

在过去几年间有很多关于氮化镓(GaN)半导体器件的报导,如美国RensselaerPolytechnic Institute的科学家开发了全球初期专为电源转换应用而设的氮化镓晶体管。他们尝试利用具备更高击穿电压及更高效电源转换性能的氮化镓晶体管来替代硅MOSFET器件(注1),其目标是开发出可以在严峻环境下工作并具备更高性能的电子器件。宜普电源转换公司(EPC)于2010年为电源转换市场开发出了第一代增强型氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)。 一直以来，氮化镓被推荐为极具潜力的全新材料。在2013年，多个由氮化镓器件所推动的全新应用崭露头角,包括无线电源传送、射频直流-直流包络跟踪、宇航辐射供电及高能量脉冲激光等应用。根据资料显示(注2)，到2 0 2 0年全球的无线电源传送市场将达150亿美元，氮化镓场效应晶体管在这个市场的贡献是实现更高效器件及推动器件可以在更安全的频率下工作。而根据预测显示，使用LTE4G基站的无线通信市场在今年将增长至240亿美元，因为包络跟踪推动基站的效率得以提高一倍。此外，氮化镓场效应晶体管还可以替代应用于宇航的MOSFET器件，因为氮化镓器件可以抵受十倍的辐射照射及实现更高系统效率。这是额外的1亿美元的潜在市场。 由于氮化镓场效应晶体管跟硅MOSFET的行为相同，因此工程师可以利用相同量度标准来比较两种器件的性能。在我们的测试应用中，氮化镓场效应晶体管实质上在所有的应用中都显示它们提高了电源转换效率(注3)。 根据Yole Development公司2011年的研究报告预测，氮化镓器件的全球市场份额在2011年~2015年间的年同比增长率为250%，而碳化硅(SiC)器件的市场在同期的年同比增长率则只有35%。要注意的是，目前多个环球因素如欧洲金融危机可以减慢所预测的氮化镓器件的普及速度。其它因素如客户加入采用氮化镓器件行列的步伐—利用氮化镓器件的优势来设计其专有产品—也是一个可以影响氮化镓器件普及速度的重要因素。 此外，我们从1980 年代双极性晶体管的技术转而采用功率MOSFET器件，可以认识到推动氮化镓技术的普及因素主要有四个：1．氮化镓器件必须容易使用；2 ．开发出不能受惠于硅器件(性能受限) 的全新应用；3．氮化镓器件必须具备成本效益的优势；4．氮化镓器件必须可靠。 再者，氮化镓器件的开发及普及也基于很多大学的研究项目及所发表的研究结果。正如在台大去年11月举行的第一届“新世代高功率氮化镓半导体器件及绿能应用国际论坛”上，与台大团队一起筹备这次论坛的台大陈耀铭教授认为,由于高功率氮化镓半导体器件的问世,电力电子技术的开发与应用将会有另一波突破性的发展。 很多工程师朋友会问我：氮化镓晶体管的成本很高哦!?氮化镓场效应晶体管的成本其实正在快速降低。没错，根据Lux研究公司报告，氮化镓材料在提供远高于传统硅器件性能的同时，在20 2 0年其成本会与传统的硅器件相同，这是由于大量生产，氮化镓将降低60%的成本，致使氮化镓器件在生产良率、性能及在功率电子领域，节省能源各方面都极具竞争力。因此，改善氮化镓器件的性价比是该器件得以普及的一个重要因素。 由于氮化镓器件具备支持全新领域的潜力，业界制造商的研发也是推动氮化镓器件实现更快速普及、更广泛应用的一个关键因素。去年德州仪器已经推出一系列集成电路，实现容易及有效驱动氮化镓场效应晶体管的驱动器，并只需外加少量组件。此外，有多家竞争公司目前在提高客户对氮化镓技术的研发兴趣,这是可以减低客户对作为早期采纳新技术者的感知风险。我们称这些对手为“合作者”,可共同推动氮化镓技术的普及化。此外，Fijitsu半导体公司也在去年11月宣布推出采用硅基氮化镓功率器件并具备高输出功率(2.5kW)的服务器功率器件。这些器件最大的贡献旨在透过提高电源转换效率来实现低碳社会。 我们认为氮化镓技术正在加速普及。诚然，氮化镓器件的发展仍然面对各种挑战。正如Dunleavy等在IEEEMicrowave杂志中提到，氮化镓器件需要改善的地方包括氮化镓器件独有的精细行为及器件在高效、高功率条件下工作需要改善的准确性，使客户可以受惠于具备卓越性能的氮化镓高电子迁移率晶体管所能带来的好处。 氮化镓技术将继续向前迈进。在与策略性伙伴携手开发互补产品的同时，我们支持大学对氮化镓技术的研发，以引领工程师社群共同迈向全新里程，并为半导体发展史写下新的一页。 注释 1.Mehta, Rupal,“Gallium nitride alternative tosilicon”,Materials World16.7(July 2008): 4. 2.Webinar “Silicon is Retreating” byAlex Lidow, EPC, PSMA Nov 2012. 3.Lidow, Strydom, deRooij,Ma, “GaNTransistors for Ef cient Power Conversion”,Power Conversion Publications, 2012. 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载