发挥GaN功率晶片的最大性能 开发P型通道的解决方案仍是最主要的挑战

为了发挥GaN功率晶片的最大性能，开发P型通道的解决方案仍是最主要的挑战，目标是采用GaN制造P型通道元件，并确保其具备一定性能。互补式金氧半导体（CMOS）技术透过P型与N型场效电晶体运作，两种元件相互辅助且对称成双，使得电洞与电子能够自由迁移。

然而，氮化镓元件的电子迁移率大约是电洞迁移率的60倍，而矽基元件仅仅相差两倍。也就是说，以电洞为主要载子的P型通道会比N型通道还要大上60倍，而且效率非常低。最常见的替代方案是以电阻器取代P型MOS元件，RTL电路也被用于GaN晶片，但是必须在开关速度与功耗之间取舍。

imec氮化镓电力电子研究计划主持人Stefann Decoutere指出，我们在SOI基板上将空乏型HEMT整合到功能性增强型HEMT平台上，实现了GaN晶片的性能升级。其中，增强型（e-mode）与空乏型元件（d-mode）分别代表源极电压为零时电路的开启（ON）与关闭（OFF）状态，能够控制电晶体产生或不产生电流。借由全新的电路设计，把RTL电路变成直接耦合的FET逻辑电路，我们预期将能提升开关速度，并减少电路的功率消耗。

透过整合萧基二极体，氮化镓功率晶片的电源效率就能进一步提升。与矽基二极体相比，萧基二极体能在电路开启且具备相同的电阻情况下承受更高的电压，或是在相同的崩溃电压下降低电路开启时的电阻。

Stefann Decoutere表示，制造萧基二极体的挑战是以低电压开启电路时，还要减少漏电。不幸的是，若想要实现低导通电压，势必会面临能障（barrier）较小而导致难以控制漏电的问题。萧基二极体的漏电流可是出了名的高得吓人。

Stefann Decoutere接着说明，imec开发了具备专利的闸极边缘终止型萧基二极体（Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode；GET-SBD）结构，可以在约为0.8V的低导通电压下，有效地降低漏电流，与传统的氮化镓萧基二极体相差百倍以上。

氮化镓是高功率应用的必用材料，因为其临界电压，也就是能促使电晶体进入崩溃状态的运作条件，是矽材的10倍。此外，在低功率应用上，氮化镓因为具备更佳的开关速度，也能胜过矽材。

Stefaan Decoutere表示，我们开发的氮化镓晶片能有助于设计出更小尺寸、更高效率的DC/DC转换器与负载点（POL）转换器。举例来说，智慧型手机、平板或笔电全都内建不同晶片，分别以不同电压运作，因此需要AC/DC转换器来进行充电，还要内建PoL转换器来产生不同电压。这些元件不仅具备开关，还有变压器、电容器和电感器，所以电晶体的开关速度越快，这些元件就能设计得越小，进而在相同功率下实现更加紧凑与低成本的系统设计。

他进一步分析，目前商机最大的氮化镓市场是快速充电器，接着是伺服器、汽车与可再生能源应用的电源供应系统。可以想见，以氮化镓材料制成的电源供应元件更能展现系统级的高可靠度，不仅缩小了尺寸与重量，还能减少物料需求，进而降低成本。

Stefann Decoutere表示，我们将会持续改良现有平台的性能，进一步进行可靠度测试。该平台目前提供200V与650V的原型元件，很快就会开放100V的规格。就性能而言，具备更高功率的1200V氮化镓晶片所能达到的升级可能有限。毕竟电路电压变高时，要驱动那些整合的元件运作也会变慢，所以可能并不需要在晶片上整合驱动器，后续模拟会提供我们验证。

Stefann Decoutere表示，同时，我们也在探索1200V独立元件的替代方案，如此一来，氮化镓技术就能用于电动车等超高功率应用。目前氮化镓元件采用的主流电晶体架构是横向拓扑（lateral topolgy），每个元件包含源极、闸极与汲极三个端子，全都在同个基板的表面上，因此产生横向电场，分布于所有的氮化镓缓冲层，以及部分的后段制程结构，例如金属导线与氧化层。

Stefann Decoutere补充说明，在垂直堆叠的元件中，源极与闸极位处表面，而汲极在堆叠的底层。在此情况下，电场会贯穿整座堆叠，而源极与汲极之间的间距会决定元件崩溃电压的大小，间距越宽，通道就越不容易进入崩溃状态。

Stefann Decoutere总结，在平面的拓朴结构下，源极与汲极相距越远，元件尺寸就越大。由于1200V功率元件的晶片太过庞大，采用横向结构时，通常会建议最高电压为650V。相较之下，采用垂直结构的元件可以实现更高的电压，因为源极与汲极位于堆叠的顶层与底层，所以可以增加磊晶厚度，而让晶片面积维持不变。