最近AlexLidow（前IRCEO，現(xiàn)EPC—Efficient Power Conversion 的CEO）發(fā)表文章，講述了比較新的氮化鎵（GaN）技術(shù)，現(xiàn)將這篇文章翻譯出來與大家共享。
用氮化鎵替代硅
38年前AlexLidow剛從斯坦福博士畢業(yè)以后，接觸到的第一個(gè)半導(dǎo)體項(xiàng)目就是開發(fā)一種新型的晶體管，性能要?jiǎng)龠^當(dāng)時(shí)主流的雙極型晶體管。1970年代的晶體管大體上還是采用1947年Brattain、Bardeen和Shockley于1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的晶體管工藝來生產(chǎn)（三人因?yàn)榘l(fā)明晶體管而獲得1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。AlexLidow和他的同事TomHerman決心利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的IC技術(shù)來開發(fā)新型晶體管，以打破這種30多年舊工藝的壟斷。經(jīng)過兩人不懈的努力，以及整個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的杰出貢獻(xiàn)，最終他們發(fā)明了功率MOSFET（Alex和Tom將其命名為HEXFET）。MOSFET是一項(xiàng)真正的顛覆性技術(shù)，只用了大概15年的時(shí)間就取代了大部分雙極型晶體管的市場份額。
這段經(jīng)歷使得AlexLidow認(rèn)為，一項(xiàng)新半導(dǎo)體技術(shù)是否能夠成為主流技術(shù)，主要決定于以下四點(diǎn)：
1.能否基于該技術(shù)產(chǎn)生重要的新型應(yīng)用？
2.該技術(shù)是否容易使用？
3.對于客戶來說，該技術(shù)是否在成本上極具優(yōu)勢？
4.該技術(shù)是否可靠？
在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，氮化鎵工藝能夠取代硅工藝成為新一代主流技術(shù)嗎？讓我們逐條來看一下吧
能否基于該技術(shù)產(chǎn)生重要的新型應(yīng)用？
氮化鎵晶體管的開關(guān)速度比硅晶體管高，這將使得很多新型應(yīng)用成為可能：
*包絡(luò)追蹤：包絡(luò)追蹤（實(shí)時(shí)測量信號幅度）是一種電源管理技術(shù)，用于衛(wèi)星、基站和手機(jī)上的射頻功率放大器（RFPA）可以利用包絡(luò)追蹤技術(shù)來提高其能源利用效率。信號調(diào)制時(shí)射頻PA會(huì)需要不同的供電電壓，包絡(luò)追蹤就是根據(jù)PA的需求提供相應(yīng)的電壓給PA。如果只采用一個(gè)固定電壓給PA供電，那么為防止出現(xiàn)截止失真，RFPA就要工作在最大功率，包絡(luò)追蹤保證發(fā)射器工作在最合適的功率上，因此與固定電壓供電模式相比，包絡(luò)追蹤更省電。氮化鎵晶體管是現(xiàn)在唯一能在4GLTE基站實(shí)現(xiàn)包絡(luò)追蹤功能的晶體管。
*無線充電：手機(jī)、游戲機(jī)、筆記本、平板，甚至是電動(dòng)汽車都可以利用無線的方式來完成充電。A4WP剛剛批準(zhǔn)了一種高頻（6.78MHz）無線充電的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在硅功率器件（功率MOSFET）還不能在這么高的頻率上進(jìn)行工作，利用IC和氮化鎵晶體管或許是一種方案，因?yàn)榈壘w管的開關(guān)速度足夠快。
*激光雷達(dá)（LightDistancingandRanging，簡稱LiDAR）：激光雷達(dá)利用脈沖激光可以快速產(chǎn)生周圍環(huán)境的三維影像，這項(xiàng)技術(shù)廣泛用在地理測繪和無人駕駛汽車上。氮化鎵晶體管的高開關(guān)速度保證了超高的分辨率和快速相應(yīng)，可以使激光雷達(dá)的應(yīng)用從測繪拓展到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和真正的無人駕駛汽車上。
該技術(shù)是否容易使用？
EPC開發(fā)設(shè)計(jì)的氮化鎵晶體管（eGaNFET）在使用方法上與功率MOSFET很像，所以有經(jīng)驗(yàn)的電源系統(tǒng)工程師只需要很少的訓(xùn)練就可以使用。為了幫助設(shè)計(jì)工程師快速掌握氮化鎵晶體管的使用方法，EPC在氮化鎵器件的教育和推廣上不遺余力。EPC現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表了100多篇關(guān)于氮化鎵的文章和演講稿，2011年EPC出版了業(yè)界第一本氮化鎵晶體管的教科書（英文版和中文版都有）《氮化鎵晶體管--高效功率轉(zhuǎn)換器件》（GaN Transistors for Efficient Power Conversion），這本書的第二版已于2015年出版。EPC與全球60多所大學(xué)進(jìn)行合作，目的就是為了培育新一代熟練掌握氮化鎵技術(shù)的電源設(shè)計(jì)工程師。
該技術(shù)是否在成本上極具優(yōu)勢？
EPC設(shè)計(jì)生產(chǎn)的氮化鎵采用類似硅功率MOSFET的工藝，但工藝步驟比MOSFET少很多。此外，不像硅MOSFET，氮化鎵晶體管不需要高成本的封裝來保護(hù)自己。僅封裝這一項(xiàng)，氮化鎵晶體管就可以把制造成本降低一半，再加上高良率，EPC生產(chǎn)的氮化鎵晶體管在成本上比相對應(yīng)的硅功率晶體管（性能比氮化鎵晶體管要差）低很多。現(xiàn)在氮化鎵器件的成本已經(jīng)足夠低，何況設(shè)計(jì)師還可以利用氮化鎵的性能優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本。
該技術(shù)是否可靠？
到今天為止，無論是在制造廠經(jīng)歷的幾千萬小時(shí)的壓力測試，還是實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中幾百億器件時(shí)（devicehour）的實(shí)測數(shù)據(jù)，都顯示氮化鎵技術(shù)已經(jīng)滿足商業(yè)應(yīng)用的可靠性。
總結(jié)
開關(guān)速度快、尺寸小、成本低又可靠性高使得氮化鎵晶體管具備了在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域替代MOSFET的要素，類似的分析可以得出在模擬IC領(lǐng)域氮化鎵工藝同樣具備優(yōu)勢，也許三到五年以后，數(shù)字IC領(lǐng)域也會(huì)用到氮化鎵工藝，氮化鎵這種新技術(shù)的好戲才剛剛開始。
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