商品化氮化鎵功率元件　準備好了沒?

日前在台北舉行的SEMICON會議中，個人受邀以氮化鎵在功率元件的應用為主題發表演講，並且以商品化為主軸來檢視其未來的發展。在此整理該演講的內容及個人的觀點，以饗讀者。

氮化鎵是一個很神奇的半導體，它的應用涵蓋了光電領域，LED、雷射；電子領域，微波/毫米波功率放大器(PA)、高功率元件。在光電領域的應用，如藍光、綠光、紫外光的LED以及藍光雷射都早已商品化，並已建立了相當規模的產業。

至於在電子領域，氮化鎵應用於微波及毫米波的放大器，其性能以及可靠度均已成熟，只是在等待市場的起飛。氮化鎵因為可以操作在比較高的直流偏壓，因此比砷化鎵有著較高的功率密度。以5G的市場而言，在sub-6GHz的頻段下，手機的功率放大器仍會是延續既有砷化鎵的技術，而基站則是Si LDMOS為主，可能有部分會使用氮化鎵。

若市場進入毫米波，基站的部分會由氮化鎵所取代，因為線性度及效率的需求，氮化鎵是遠優於LDMOS。至於毫米波手機的功率放大器，坦白說目前還看不到有解決的方案，因為在毫米波的頻段，目前所有功率放大器的效率都嚴重不足，會影響到手機使用的時間。

接下來探討氮化鎵在高功率元件的應用，功率元件在不同的崩潰電壓操作下，大致可分為高壓的650V、中壓的100V，以及低壓的40V，主要是在AC轉DC以及DC轉DC的電源系統上的應用。在2020年的CES，展示了多款使用氮化鎵元件的AC/DC充電器，不僅體積縮小甚多，而輸出的功率可達65W甚至更高，並且擁有多孔的輸出。因此未來只需要一個充電器，就可以同時充筆電、手機以及其他裝置了。但是為甚麼氮化鎵可以做到過往在矽基板元件上無法達到的特性？

這必須由元件的物理來說明。不同的功率元件在相同的崩潰電壓條件下，有兩個最重要的參數，一個是元件的輸出電阻，這決定了元件輸出的功率及效率；另一個是元件的輸入電容，也就是充放電的電荷，這決定了元件的操作頻率。這兩個參數都需越小越好。或可能為了降低元件的輸出電阻，而將元件的面積刻意做大，但此舉卻會增加元件輸入端的電容。因此一個客觀的比較是將兩個參數相乘，而得到所謂的FoM，此乘積當然是越小越好了。崩潰電壓650V的氮化鎵元件其FoM是性能最好矽基板元件(superjunction MOS)的1/10，也就是10倍的優勢，而100V的氮化鎵是矽元件的3倍，40V氮化鎵此優勢則僅有約30%。

650V元件通常應用於AC/DC的電源轉換，氮化鎵具有其十倍的優勢，自然是充電器的首選。使用氮化鎵的充電器不僅可有較高的輸出功率以及轉換效率，同時在操作頻率上，可以由之前的100KHz，提升到300KHz甚至600KHz。操作頻率的增加，無形中就縮減了充電器的體積。

另需一提的是，過往650V氮化鎵元件一直有可靠度的問題，這部份不僅透過磊晶以及製程上的努力來加以改善，更重要的是在充電器的電路架構上開始使用了軟開關(soft switch)的機制，也就是高電壓以及大電流不會同時加諸在氮化鎵元件上。此舉不僅提升了效率，又可以更進一步地保障氮化鎵的可靠度。

100V氮化鎵元件挾其三倍的優勢，開始在48V DC/DC電源的轉換嶄露頭角，尤其現階段CPU、GPU、FPGA、ASIC等運用在高速運算系統的IC，其所需求的功率越來越高，最近GPU的加速卡已超過500W，並邁向1000W大關。DC電源系統也由12V 轉換到48V，100V氮化鎵不僅可以提升效率，同時操作頻率可達到1MHz以上，假以時日我們將會看到這方面越來越多的應用。至於崩潰電壓在40V以下氮化鎵元件則不具有競爭優勢，這部分仍會是trench MOS的天下。

氮化鎵元件結構上最為關鍵的部分是閘極開關(gate)，在微波/毫米波功率放大器所使用的是金屬與氮化鎵的接觸(MESFET)，此架構下通道的電流是遠離金屬與氮化鎵的介面，因此不會有介面(interface)及可靠度的問題。但是在功率元件上，我們需要的是在零偏壓下閘極是關閉的，此架構下通道的電流與閘極是接觸的。因此有2個選擇：一個是使用絕緣層(MIS，類似MOS)，另一選擇是p-GaN閘極。

MIS在化合物半導體已經是個被研究超過四十年的題目，從來就沒有過成功的案例，因此p-GaN成為唯一的選擇。但是p-GaN在稍大的正偏壓下，會導致閘極開關的導通，因此p-GaN需要另外設計驅動器(driver)。所幸氮化鎵的驅動器可以與氮化鎵功率元件整合在同一晶片上，並已有少數的公司提供了這類的產品。

最後大家所關心的是氮化鎵的價格，基本上目前都是使用六吋矽晶圓舊廠來製作，除了磊晶外只要是需求量起來，其價格應該可以對比到矽元件，目前磊晶佔總成本的一半。氮化鎵磊晶最大的挑戰在於製程時間過長，以及機台是否能維持長期的穩定度及磊晶的均勻性，這有賴MOCVD設備廠商的努力。

650V氮化鎵元件在AC/DC充電器的應用會是個破壞式的創新，在既有的系統中加入新的元素，而改變了產業生態；此外100V DC/DC的應用將指日可待。氮化鎵在功率元件的應用上，經歷了十多年的篳路藍縷，克服了種種在生產製造以及市場開拓的挑戰，如今已稍具雛型。

看完文章，在未來在商品化的應用，你覺得氮化鎵準備好了沒？