有关氮化镓半导体的常见错误观念

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氮化镓(GaN)是一种全新的使能技术，可实现更高的效率、显着减小系统尺寸、更轻和于应用中取得硅器件无法实现的性能。那么，为什么关于氮化镓半导体仍然有如此多的误解？事实又是怎样的呢？

关于氮化镓技术有如此多的误解的原因之一，是现有硅技术的供应商使用吓人策略和发出错误信息，例如关于氮化镓技术的可靠性问题、各式各样的设计挑战、高昂的价格和不可靠的供应链等，从而劝阻潜在的氮化镓用户。

但这些攻击并没有阻碍业界在各种应用中采纳氮化镓器件，例如氮化镓器件不仅使能激光雷达应用，而且在硅MOSFET以前占据主导地位的传统应用中，如数据中心和车载电子，也逐渐转用氮化镓器件。本文将揭穿关于氮化镓技术的最常见误解，以及分享GaN FET和集成电路目前在功率转换领域替代硅器件的步伐。

误解1：氮化镓技术很新且还没有经过验证

氮化镓器件是一种非常坚硬、具高机械稳定性的宽带隙半导体，于1990年代初首次用于生产高功率/高频射频晶体管和发光二极管。2010年，第一款增强型氮化镓晶体管普遍可用，旨在取代硅功率MOSFET。之后随即推出氮化镓功率集成电路- 将GaN FET、氮化镓基驱动电路和电路保护集成为单个器件。

最早采用基于氮化镓的FET和集成电路的设计人员，就是发挥比MOSFET快10倍开关速度和比IGBT快100倍开关速度的氮化镓器件优势的设计工程师。首批大量使用氮化镓器件和发挥其高速开关优势的应用，包括自动驾驶汽车、机器人、无人机和安全系统的激光雷达系统。

随着产量的增长，氮化镓器件正在取代传统应用的硅MOSFET，例如48 V DC/DC电源，让数据中心和云计算、人工智能、机器学习和游戏等高功率密度计算解决方案实现高功率密度和高效率。

误解2：氮化镓技术不可靠

氮化镓器件自2010年初开始量产，而且在实验室测试和大批量客户应用中,氮化镓器件展现出具备极高的稳健性。EPC器件已经通过数千亿个器件-小时的测试，其故障率比MOSFET低100倍！

尽管宽带隙器件对温度的灵敏度低于硅器件，对氮化镓器件的可靠性的误解卻依然存在。事实上，芯片级器件的故障机制比封装器件少，而且氮化镓器件已获得车规级认证和用于航天航空应用。

EPC凭借“测试器件至失效”的方法对其氮化镓器件进行可靠性测试，而且测试标准远远高于JEDEC的标准，从而提高一代又一代的氮化镓器件的稳健性。该方法找出器件内在故障机制，用于开发基于物理的模型，从而可用准确地预测到氮化镓产品在通用操作条件下的安全使用寿命，让设计人员可以根据其设计要求，对氮化镓器件进行评估。

“测试器件至失效”的测试报告结果可浏览GaN 可靠性。

误解3：很难采用氮化镓元件来设计解决方案

氮化镓器件的行为与功率 MOSFET相似，但在设计氮化镓电路时，需要注意几个事项。首先，氮化镓器件比硅MOSFET快10倍，因此氮化镓电路更容易产生寄生电感。寄生电感会导致振铃和过冲，从而增加EMI和电路故障的风险。然而，实现最小化的寄生电感很简单，只需采用氮化镓技术。与基于MOSFET的最佳设计相比，如果能够正确采用氮化镓电路来设计解决方案，它具有更少的EMI和过冲。

由于氮化镓器件具备优越的性能优势，支持基于氮化镓器件的设计的生态系统不断在发展，从而有越来越多供应商提供新型元件，例如栅极驱动器、控制器和无源元件，可进一步增强基于氮化镓器件的系统的性能。

此外，氮化镓器件可以在同一衬底上集成多个器件，使得单片式电源系统可以更直接、更高效和更具成本效益地在单芯片上进行设计。集成功率级诸如EPC23102为设计人员提供了一个比基于分立器件方案的体积小35%、采用的元件少50%、缩短设计时间和更高效的解决方案。氮化镓集成电路使产品更小、更快、更高效和更易于设计。

误解4：氮化镓器件的供应链不可靠

EPC的GaN FET和集成电路的制造工艺非常简单和成熟。通过在硅顶部生长氮化镓外延层，可以使用现有的硅制造供应链而免于使用昂贵的特定生产地点。供应链利用现成的大直径硅晶圆以低成本进行量产，并与具备丰富经验的合作伙伴进行大批量后端生产。由于氮化镓器件比硅器件小得多，因此每块晶圆就可以生产出更多的氮化镓器件，从而实现可量产、具低成本、成熟、迅速反应和非常易于扩展的供应链。

误解5 ：GaN FET和集成电路的价格昂贵

这是关于氮化镓技术最常见的错误观念！ 氮化镓器件大约在2015年推出市场，与具有相同导通电阻和额定电压的硅功率MOSFET相比，其价格更低 。从那时起，产量继续提升、氮化镓器件的价格持续下降、氮化镓技术不断改进和芯片进一步更小化。下图显示了依据各种导通电阻规格，EPC的100 V GaN FET和对应的MOSFET器件的价格比较。

100 V GaN vs Silicon price comparison

以上的比较甚至不考虑系统级成本。例如，用于汽车电子系统的3 kW、48 V/12 V的DC/DC转换器中，由于氮化镓开关快，它可在更高的频率和更高效的条件下工作，从而减少所需的相数，从五相的MOSFET系统改为四相的氮化镓系统，其体积缩小35%和成本可以更低。

误解6：氮化镓技术尚未准备好以实现普及化

氮化镓器件于2010年3月开始进行商业化生产，激光雷达是第一种应用能够发挥氮化镓晶体管的高速开关和小尺寸优势，以实现最高性能，成为“杀手级应用”。紧随其后，是用于高密度计算的48 V DC/DC转换器。卫星系统开始大量使用GaN FET，因为他们意识到氮化镓器件在涉及多种辐射的环境下，具备优异的特性。数十万个GaN FET和混合模块已经用于飞行应用，包括用于低地球轨道以至更严格的地球同步轨道。Navitas Semiconductor、Power Integrations 和 GaN Systems等公司的高压GaN FET(650 V)和集成电路开拓了第一个量产的消费性应用市场 - 手机快速充电器。随后电动自行车、无人机和机器人很快采纳了氮化镓器件来减轻重量、缩小尺寸、降低成本和减少EMI。48 V DC/DC 转换器、车前照灯、车内风扇、座椅加热器和车载充电器等车载应用都在转为采用氮化镓器件，因为其产量不断在增加、可靠性得到认证和价格持续下降。

此时，氮化镓技术不再是一个“科学项目”，而是在15 V~650 V的应用中广泛替代硅MOSFET器件。