硅功率MOSFET在电源转换领域的应用
来源： 作者： 发布时间：2015-01-28 13:16:45 浏览量：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，模压电感器硅基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。由于插件电感相同功能的硅基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销售电感器结果(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。从目前我们拥有的数据来看，这种技术如今已经能够在商业应用中达至可接受的可靠水平。
图9：在125℃和+一体电感器5Vgs条件下1000小时栅极应力能力。
图10：在125℃和100VDS条件下1000小时漏极至源极应力能力。
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