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氮化镓材料早在十多年前就开始被应用在半导体上，而随著相关技术不断进步，如今氮化镓已经成功切入功率应用，并将成为引领下一波电源晶片技术革命的重要引擎。
由于电源、RF功率放大器等应用，对功率密度的追求是没有止境的，许多厂商早在十多年前就已经看到氮化镓(GaN)材料的发展潜力，而展开相关研发。
不过，要在成熟的应用上导入新材料，从来就不是一蹴可几的任务，一方面材料的特性要够稳定、可靠，才能运用在实际的产品上，二来即便客户端愿意为新材料所带来的效能突破而承担更高的成本，其可接受的价格区间，也会被既有的硅元件「锚定」在一定范围内。因此，GaN在功率领域的普遍应用，一直面临著可靠度与成本两大考验。而随著技术不断突破，加上设计架构上的创新，阻挠GaN在功率应用上普及的大石头，终于被搬开了。
突破MOSFET效率瓶颈GaN FET力克损耗关卡Power Integrations(PI)资深技术应用经理刘志伟(图1)表示，开关元件的损耗主要包括两个部分：切换损耗和导通损耗。切换损耗与MOSFET开关的杂散电容正相关，而杂散电容又与MOSFET的裸晶尺寸大小呈正比关系，所以当使用尺寸较大的MOSFET时，切换损失就会增加。
图1 PI资深技术应用经理刘志伟表示，GaN开关技术带来革新性的更高性能和效率
跟MOSFET相比，GaN FET在相同单位面积时，GaN 的导通电阻(RDS(ON))可以做得更低，同时内部的杂散电容可以做得更小，所以使用GaN FET来取代MOSFET时，导通损失和切换损失都可以同时降低，所以整体的效率可以做得非常高(图2)。
图2
在给定的晶片尺寸下，GaN元件的损失要比硅元件低。图为两者导通损失与切换损失的比较看好GaN技术的优异特性，PI已开发出先进的GaN切换开关技术PowiGaN，并整合在该公司高度集成的离线反驰式开关IC--InnoSwitch3系统中；PowiGaN开关替代一次侧的传统硅晶体管，从而降低开关损耗，和硅元件相比，PowiGaN可实现体积更小，重量更轻，效率更高的充电器、适配器和开架式电源。
因应宽能隙元件特性 新工具不可或缺
由于宽能隙功率元件使用新的材料，使得这类元件具有传统硅功率元件截然不同的特性，故设计工程师在使用宽能隙功率元件时，必须对这类元件进行额外的测试，以掌握其特性。国际标淮组织如JEDEC等，也已针对宽能隙功率元件提出专属的测试规范跟标淮。
是德科技(Keysights)专案经理萧舜谦(图3)表示，目前已商品化的宽能隙功率元件可分成GaN与SiC两种，其特性差异相当大，故针对GaN元件跟SiC元件的测试重点亦有所不同。
图3 是德科技专案经理萧舜谦表示，宽能隙元件的特性与硅元件截然不同，故在测试与模拟方面都需要採用新工具、新方法
就GaN元件而言，其高频操作能力是最大的优势，但也因为其工作频率高，故电磁干扰(EMI)问题会更为明显。此外，在高频状态下操作，涌浪(Surge)跟振铃(Ringing)现象引发元件故障的风险也会增加。缺乏有效的电路模拟工具，也是工程师在设计导入时，经常遇到的挑战。现有的电路模拟工具可以淮确模拟低频电路，但遇到宽能隙元件，特别是GaN元件的时候，往往是无法使用的。
为满足宽能隙元件，特别是GaN的测试需求，是德推出了许多可执行双重脉衝测试(Double Pulse Test)的解决方案，且根据实验室研发跟量产、进料测试，有不同的硬体可供选择。在模拟软体方面，是德亦已推出对应的模拟工具，可以对使用GaN元件的电路跟电磁进行更精确的模拟。
GaN功率元件献计 电源设计兼顾小型/高效
为缩小电源供应器和充电器的体积，主动箝位返驰式(Active Clamp Flyback)电源转换设计已成为当今产品开发工程人员的首要选择。
Transphorm资深应用工程师郭旻青(图4)指出，要进行小型化设计，势必要把变压器尺寸做小，因此须拉高开关频率，然而一旦开关频率增加，损耗也就相对攀升。所以，主动箝位返驰式电源转换设计的优点，也就在此时被突显出来。
图4 Transphorm资深应用工程师郭旻青指出，要缩小电源供应器的尺寸，除了採用新元件之外，选择正确的拓扑也十分关键
主动箝位返驰式电源转换设计可透过适当的控制箝位，达到零电压开关(ZVS)，以免除开关损耗并降低电磁干扰(EMI)，从而在开关频率提高时，维持较低的开关损耗，让被动元件体积更小。若再搭配使用GaN开关元件，则可进一步提高电源转换器效率并缩减设计複杂度与尺寸。
除了主动箝位返驰式电源可以使用GaN元件外，淮谐振(Quasiresonant, QR)返驰式电源架构也可藉助GaN元件来达到更精简、更省成本的电路设计。郭旻青强调，Transphorm拥有一条龙的GaN技术能量，从设计、磊晶生产、晶圆製造、
封装技术皆完整掌握，且具有多项技术专利，因此在品质及製程方面的控管相对有较佳的优势。
铜夹结合多晶片封装 元件可靠性大升级
除了材料，封装也一直是影响功率元件性能的关键要素。好的封装技术不仅能提高电源晶片的散热能力，让功率转换效率、可靠性更上一层楼，对改善阻抗等电气特性的提升，也会有明显的加分效果。
Nexperia首席工程师丁一峰(图5)认为，在过去，可靠度一直是GaN功率元件应用普及最大的障碍，且由于GaN元件的驱动方式不同，工程师在设计导入时，必须使用不熟悉的驱动架构，更让工程师在开发应用时，有更多疑虑。
图5 Nexperia首席工程师丁一峰指出，藉由更进步的封装设计，GaN功率元件的可靠度与易用性，都可更上一层楼
不过，这些问题是可以透过封装技术来解决的。Nexperia的GaN元件採用铜夹封装，可以让元件有更优异的阻抗与散热性能，且因为没有打线接点，这种封装对电流产生的应力，有更强的承受力，使其成为可靠度更高的技术选择。许多对元件可靠度有极严格要求的车厂、Tier 1，都已经开始导入这种採用铜夹封装的元件。
此外，由于GaN元件的驱动方式与硅元件不同，若採用各自独立的GaN HEMT与驱动器(Driver)，工程师要很审慎地处理驱动问题。但若是把Si MOSFET跟GaN HEMT利用多晶片封装技巧，整合在单一封装内(图6)，让Driver透过Si MOSFET间接驱动GaN HEMT，工程师就可以把GaN HEMT当成标淮Si MOSFET来处理，不必使用GaN HEMT专用的驱动器，也毋须担心错误的驱动造成GaN HEMT损坏。这对于简化应用开发，加快产品设计流程，可带来很大的帮助。
图6 结合多晶片封装跟铜夹材料，GaN HEMT功率元件的可靠度跟易用性明显提升
可靠性/量产性取得突破 GaN功率应用开花结
GaN材料应用在半导体上，已经有十多年历史。从一开始运用在发光二极体(LED)、射频(RF)上，到后来成功在硅基板上实现磊晶，打开了功率元件应用的可能性，是一段相当漫长的旅程。不过，功率元件毕竟不同于LED跟RF，为了满足功率应用需求，业界在GaN上面，又做了许多研究投入。
阳明交大国际半导体学院教授吴添立(图7)表示，对功率元件应用而言，要确保元件安全运作，最好的方法是採用常关型设计，也就是在元件不工作或断电时，元件的预设状态是不导通的，即所谓的E Mode元件。
图7 阳明交大国际半导体学院教授吴添立认为，GaN HEMT在功率应用上最大的两个考验，都已经获得解决
然而，因为GaN HEMT的氮化铝镓(AlGaN)层跟氮化镓(GaN)层的异质接面会自然产生二维电子气(2DEG)，因此GaN功率元件本身是一种常开型元件(D Mode)，如果应用设计上有所疏忽，因为元件在断电时仍是导通的，会有误动作的风险。因此，早年的GaN HEMT在功率应用上，必须搭配专用的Driver，把GaN HEMT控制在关闭状态，确保电路安全。但万一Driver损坏，电路损坏的风
险就会很高，这也是业界之所以提到GaN HEMT在功率上的应用，都会觉得可靠度存疑的原因。
为此，业界发展出在闸极跟氮化铝镓层的接面上，添加一层P-GaN的结构，让2DEG中的电子与P-GaN中的电洞自然抵销，即可让通道呈现自然关闭状态。除了添加P-GaN之外，业界也发展出其他架构，同样能达到让通道自然关闭的效果，例如结合Si MOSFET跟GaN HEMT的Casecode架构。也因为这些设计上的巧思，GaN功率元件安全性大为增加，突破了商业应用的门槛。
整体来说，随著技术不断进步，GaN HEMT在应用上最大的技术障碍已经获得解决。而在商业上，随著GaN on Si的基板尺寸越做越大，GaN HEMT元件的成本也会越来愈低廉，使更多应用得以採用。
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