HEMT
英飛凌推出CoolGaN 400V/CoolGaN 600V工業級產品
英飛凌科旗下CoolGaN系列新增兩款產品。CoolGaN 400V開關元件(IGT40R070D1 E8220)專為頂級HiFi音響系統量身打造,可滿足終端使用者對於高解析度聲軌所有細節的要求。
傳統作法上,這項功能需要具備龐大的線性或真空管放大器才能完成。將 CoolGaN 400V開關元件作為D類輸出級使用,音頻設計人員因此得以為潛在的音響迷提供絕佳的聆聽體驗。CoolGaN 600V工業級開關元件(IGLD60R190D1)可為中低功率應用提供效能與成本最佳化,例如低功率SMPS及電信整流器。英飛凌CoolGaN系列的每項產品皆符合JEDEC標準。
CoolGaN 400V開關藉由低/線性Coss、零Qrr及常閉式開關,提供更順暢的切換及更具線性的D類輸出級。理想的D類音頻放大器可提供零失真及100%效率。開關元件的切換特性大幅度影響線性的損害與功率損耗。英飛凌的 CoolGaN透過在本體二極體中引入零逆復原電荷及極小的線性輸入和輸出電容來突破技術屏障。其結果為終端使用者帶來的好處是,更自然且聲場更廣闊的音訊體驗。
為進一步簡化設計,英飛凌在評估板中包含了採用HSOF-8-3 (TO-leadless)封裝的 CoolGaN 400V產品以及常用的D類控制器(IRS20957STRPBF)。
英飛凌 CoolGaN 600V系列亦新增190mΩ的工業級HEMT。該產品適用於成本最佳化的任何消費性和工業應用,同時降低技術的進入障礙。標準化DFN 8×8 封裝以及匹配的GaN EiceDRIVER系列驅動IC可協助客戶簡化設計作業。
電源供應市場帶頭衝 GaN功率IC商機超展開
氮化鎵(GaN)功率半導體可望大發利市。5G、AIoT時代來臨,許多創新技術應用如自駕車、電動車、無線充電、擴增實境(AR)、工業智動化、無人機,甚至5G基地台,對於能源效率的要求將顯著增加。可較現今矽(Si)功率元件實現更高轉換效率的GaN技術,遂成為各界關注焦點,並吸引許多半導體業者爭相投入布局。
根據市場研究機構Yole Développement指出,與矽功率半導體328億美元的產值相比,GaN功率市場規模仍相當小,但該技術已開始滲透至各種應用領域,其中,又以電源供應為主要應用,如手機的快速充電器。
據了解,Anker可以說是目前市場上導入GaN功率技術最積極的行動週邊裝置製造商,其行動充電器PowerPort Atom PD第一代至第三代,以及PowerPort系列部分產品,和另一個PowerCore Fusion產品,都已開始導入GaN技術。另外,Aukey、RavPower、Mu One等廠商也有採用。
行動週邊裝置品牌廠Anker自2018下半年起,已開始導入GaN功率元件,打造兼具輕巧、高功率密度的充電器。(圖片來源:Anker)
除了行動充電器外,自駕車光達(LiDAR)、資料中心伺服器、電動車,以及無線充電,亦是GaN功率半導體極具成長性的應用。Yole認為,GaN功率半導體能帶來更高的節能效益,因此相關技術研發能量不斷增加,商用產品也開始問世,整體GaN功率元件市場規模自2016年起已逐步放量;若情況樂觀,預估2017~2023年的複合成長率(CAGR)可高達93%,達到4.23億美元規模。
Yole Développement預估,在最佳狀況下,2017~2023年GaN功率半導體市場將可達到93%的年複合成長率。(資料來源:Yole Développement)
大廠加入量產行列 GaN發展更入佳境
2018年6月,功率半導體大廠英飛凌(Infineon)正式宣布於年底開始量產CoolGaN 400 V及600 V e-mode高電子遷移率電晶體(HEMT),為GaN功率技術的發展打了一劑強心針。
Yole技術與市場分析師Ezgi Dogmus認為,這家電源解決方案的領導廠商開始量產GaN的宣布,對GaN功率元件市場來說是一個重要的象徵。目前英飛凌已經擁有許多客戶在使用他們的矽解決方案,而未來這些客戶都有機會能轉移到GaN技術。
英飛凌高電壓轉換部門資深協理Steffen Metzger表示,GaN市場已經獲得強大動能,在特定應用中採用此項技術帶來大幅優勢。從降低營運支出及資本支出,提升功率密度實現更精巧輕盈的設計,乃至於減少整體系統成本,產生的效益相當具有說服力。英飛凌深信,GaN是電源管理的下一個明日之星。該公司已經做好所有準備,以達成在GaN電源方面成為客戶首選的目標。
就在英飛凌發布GaN量產消息後沒多久,意法半導體(ST)也宣布要由原本碳化矽(SiC)的發展,擴大延伸到GaN技術領域,將和法國技術研究機構CEA-Leti合作研發GaN-on-si技術,利用Leti的8吋研發產線進行二極體和電晶體開發。雙方預期在2019年完成驗證工程樣品。同時,意法半導體也預計2020年將在該公司位於法國圖爾市的前段晶圓廠中,建造完全符合規範的生產線(包含GaN-on-Si異質磊晶製程),以做為初期生產之用。
除了整合元件製造商(IDM)發展力道愈來愈強,這些年來聚焦GaN功率元件開發的新創公司也不斷冒出,前面提及的EPC、Transphorm、GaN Systems是相對較早成立的,其他還有Tagore、Exagan、Navitas、VisIC、Dialog Semiconductor、GaNPower International、NEXGEN Power Systems等。
這些新創大都是無晶圓廠(Fabless)的公司,選擇以委外給晶圓廠生產的商業模式,多半使用台積電、漢磊(Episil)或X-Fab做為他們主要選擇。未來,一旦市場規模擴大,晶圓代工的商業模式將讓這些無晶圓廠新創公司有望快速成長茁壯。
顯而易見,現今的GaN功率元件市場可說是老將新秀同台較勁、競相逐鹿,使得整體市場戰火正快速升溫,為了端出更具競爭力的產品方案,許多廠商已積極投入整合型方案研發。
目前市場上的整合型GaN功率元件可概分為兩種,一種是封裝層級的整合,將GaN電晶體與驅動器整合成單一封裝,多半針對650V以上的應用;另一種是在裸晶層級上整合GaN電晶體與驅動器,也就是達到所謂的單體式整合(Monolithically Integrated),此類產品供應商以EPC和Navitas為代表,多半針對600V以下的消費性應用。
由於消費性應用如行動裝置充電器,需求規模龐大,對GaN業者而言,是滋養茁壯的重要養分,因此為了迎合市場輕巧外觀的設計要求,走向高整合設計方案將勢在必行。
imec製程技術助攻 GaN加速實現單體整合
有鑑於市場對更高整合度GaN功率元件的發展需求,奈米電子和數位科技研究與創新中心imec,利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台,發布一款與驅動器單體整合且功能完整的GaN半橋IC。
半橋是一種在電力系統中常見的次電路,是由離散元件所組成,特別是用在較高電壓範圍的應用。要利用GaN-on-Si技術在晶片上實現半橋電路,極具挑戰,特別是高電壓的設計,這是因為基於GaN-on-Si技術所設計的半橋電路,會產生「後閘效應(Back-gating Effect)」,進而對半橋電路的高側端開關(High-side Switch)造成負面影響,而切換雜訊也會對控制電路造成干擾,抑制整體效能表現。
imec解決方案是建立在imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台,透過埋入式氧化物(Buried Oxide)和氧化物填充的深溝槽隔離設計,讓功率元件、驅動器和控制邏輯能夠達到電氣隔離。這種隔離機制能減少有害的後閘效應對半橋高側端開關的負面影響,更能減少切換雜訊對控制電路的干擾。
此外,imec的技術平台也藉由整合電位轉換器(Level Shifter)(用來驅動高側開關)、停滯時間控制器(Dead-time...
推升大功率電源轉換器能效 新GaN功率開關鋒芒畢露
能源的議題是一直以來被討論的話題,在現今節能減碳的需求下,提高轉換效率是新電源轉換器努力的方向。以往所使用的矽功率開關元件;在以矽為材料所開發的金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),其發展已接近物理極限,期待以矽材料的功率晶體來進行電源轉換器的效率改善效果有限,而寬能隙材料所開發的新型功率晶體,如氮化鎵(GaN)高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)可以讓電源轉換器達到更高的效率及更高功率密度。
對矽功率開關元件而言,設計人員對其應用和驅動已經相當熟悉,但對於GaN HEMT的應用和驅動方式的資訊相對比較少,本文針對GaN HEMT的應用和驅動方式作介紹,提供設計人員在使用GaN HEMT上的參考。
氮化鎵功率元件應用要點
如圖1所示,粗略將幾種材料如矽、碳化矽及氮化鎵等功率開關的適用範圍依功率及切換頻率進行劃分,矽功率開關涵蓋目前大部分的應用,適用於切換頻率在500kHz以下的中小功率應用或低頻的大功率應用;大功率的應用且操作於略高的切換頻率的電源轉換系統會選擇SiC MOSFET;而中低功率需要更高切換頻率如200kHz以上,GaN HEMT會是合適的功率開關元件,目前適合GaN HEMT的應用條件在10kW以下,高於250kHz以上的切換頻率,但實際應用還是以設計者的需求為主,可以選擇GaN HEMT取代MOSFET以相同的切換頻率達到較高的效率,或增加切換頻率來達到較高的功率密度需求。
圖1 不同材料功率晶體開關的應用範圍
目前GaN HEMT的應用領域在電信和資料中心使用的伺服器電源是主要目標市場,採用超高效率電源可以降低能源成本而產生回報。於伺服器電源的電路中,目前發展相對成熟的電路之一為無橋式PFC,採用無橋式PFC可以改善傳統升壓型PFC的效率,現在更可以透過GaN HEMT的特性搭配圖騰柱(Totem Pole)PFC電路來進一步提升效率。
一般電源轉換器的功率因數校正(PFC)線路採用升壓型轉換器架構,如圖2所示。輸入電壓範圍從AC 85V~265V,超過三倍的電壓變化,因此電流也是超過三倍的變化,在相同負載條件下,導通損失有十倍的差異,在這麼大的變化下,要最佳化MOSFET和Diode是一個挑戰。操作頻率一般是低於70kHz,使得兩倍頻限制在低於150kHz,因為頻率的增加會增加切換損失且主頻會落入EMI的測試範圍內,控制模式採用連續傳導模式(CCM)可以減少漣波電流、導通損耗和切換損耗。操作在不連續導通模式(DCM)或是邊界模式(CRM)會有較高的漣波電流,但可以達到ZCS導通,因此可以降低切換損失,無論採用哪一種控制模式,橋式整流器占了一定比例的損耗,約占全機1~2%的效率損失,即使PFC開關採用理想的零切換損耗技術也無法彌補橋式整流器的損耗。
圖2 標準升壓型轉換器架構
PFC電路開關降低損耗
將PFC電路中進行功率損耗分析如圖3所示,可以明顯發現橋式整流器所占的功率損耗最大,其中在輸入電壓為85Vac時占總功率損耗的34%,而在輸入電壓為230Vac時占總功率損耗的37%。正因如此,許多無橋式線路被採用在電源轉換器上來改善效率,但整體線路卻變得複雜許多。另一種降低橋式整流器損耗的選擇是採用主動式橋式整流器(Active Bridge),將較低導通電阻RDS(on)的MOSFET並聯在原有的橋式二極體上,利用Irsm2 X RDS(on)降低原本的Iavg X Vf損耗,保留原本的橋式整流器是需要其協助旁路衝擊電流,避免在異常操作時損壞並聯在橋式整流器上的MOSFET。
圖3 升壓型PFC功率損耗分析
在眾多無橋式PFC的電路架構中,Totem...
矽材料已近物理極限急尋接班 寬能隙GaN表現優異可望出線
以下將介紹以GaN材料的功率晶體,包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性,以便對此新材料及新元件有進一步的認識。
認識氮化鎵材料特性
寬能隙的材料相較於矽材料,有較高的電子能階,矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶,而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV,GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度,而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上,寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性,應用在電源轉換器上,可以有效提高其功率密度。
早期矽功率開關元件是採橫向的結構設計,但在給定的導通電阻RDS(on)下,晶體尺寸過大,最終無法有效降低導通電阻。為解決這個問題,目前矽的功率開關採用垂直結構設計,其閘極(Gate)與源極(Source)在頂部,汲極(Drain)在底部。
圖1為GaN HEMT功率開關的剖面結構圖,使用橫向結構的水平型設計,GaN可以外延生長到矽的基底上,GaN HEMT有別於其他傳統半導體,具有非常強的極化(Polarization)效應,除了因III-V離子鍵和晶格結構所形成的自發性(Spontaneous Polarization)極化外,在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層之間產生異質結構,成長異質結構因晶格不匹配而形成的晶格擠壓,額外造成壓電電極化(Piezoelectric Polarization),這兩個極化效應使得異質介面結構促使GaN的能帶(Band)朝氮化鎵鋁(AIGaN)方向自然彎曲。因此,彎曲的部分就會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層,稱為二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG),此二維(2D)電子氣的電子遷移率極高,因此能達到非常快的切換速度,所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT),也因為二維電子氣的特性使得元件結構中的導通電阻可以大幅降低,尤其是用來承受反向偏壓電壓的漂移區(Drift Region)所貢獻的導通電阻部分。
圖1 橫向增強型GaN HEMT的截面圖
半導體必須外接偏壓,提供足夠的電子伏特才能跨越費米能階(Fermi Level),使半導體從絕緣體變成導體,但在GaN和AlGaN接面處形成的二維電子氣讓GaN HEMT不需要外置偏壓即可導電。製程上,GaN HEMT將源極和汲極的金屬連接二維電子氣,所以GaN HEMT本身是常開型(Normal On)的半導體元件,閘極位於汲極和源極之間用來控制GaN HEMT的導通與截止。但常開型的GaN HEMT,在電源轉換器使用上會造成驅動電路的設計複雜化。
如何將常開型的GaN HEMT改變為常閉型(Normal Off)的GaN...
(更新)國防/電信驅動RF GaN需求 專利申請戰全面啟動
電信和國防應用推動射頻氮化鎵(RF GaN)蓬勃發展。根據市調機構Yole Développement調查指出,RF GaN產業於2017~2023年間的年複合增長率達到23%。隨著市場不斷地發展,截至2017年底,RF GaN市場產值已經接近3.8億美元,2023年將達到13億美元以上。
目前國防仍是RF GaN的主要市場,因為其專業化的高性能需求和價格敏感度(Price Sensitivity)較低,因而為以GaN為基底的產品提供了許多機會。2017~2018年,國防領域占了RF GaN市場總量的35%以上,完全沒有減少的趨勢。Yole Développement資深技術與市場分析師Hong Lin表示,這個重要的GaN市場將持續與GaN的整體滲透力一起成長。
RF GaN已經被工業廠商認可,並明顯地成為主流。領先的參與者正快速地增加收入,這種趨勢在未來的幾年內將保持不變。從智慧財產的角度來看,美國和日本主導著整個RF GaN智慧財產生態系。
Knowmade執行長兼聯合創始人Nicolas Baron評論,科銳(Cree)毫無疑問地擁有最強的智慧財產地位,尤其是以碳化矽(SiC)為基底的GaN高電子遷移率電晶體(High-electron-mobility transistor, HEMT) 。另一家RF GaN元件的市場領導者--住友電氣工業,專利地位也不錯,但仍落後於Cree,且專利布局動作有放緩趨勢。反觀,富士通、東芝(TOSHIBA)和三菱電機(Mitsubishi Electric)等其他日本公司則正在加快他們的專利申請,因此現在也擁有強大的專利組合。
Baron進一步說明,Cree也在RF GaN HEMT智慧財產的競賽中處於領先地位。針對Cree的 RF GaN專利組合分析顯示,它可以有效地限制該領域的專利活動,並控制大部分關鍵國家其他企業的自由營運(Freedom to Operate, FTO)。
另一方面,英特爾和MACOM目前也十分積極進行RF...