我們對功率半導體最基本要求是針對它的效能、可靠性、管控性及其成本效益。它的高頻率性能，可切合穩壓器系統於體積及暫態響應方面的需要而具更高價值，並為D級放大器提供高保真度。一個新元件結構如果不高效、不可靠的話，根本不可能商品化。市場上有很多新結構及原料可選，可是只見有限度或非普遍性接受。「宜普」之最新突破乃推出氮化鎵 (Gallium Nitride/ GaN) 「 增強型」功率管控元件，具高導電性、極快開關、矽元件之成本結構及基本操作模式等優勢。
元件構造
一件元件之成本效益，從利用現有之生產基礎設施開始計算。「宜普」之製程技術，建基於不昂貴的矽晶圓片。在矽基板上有一層薄薄的氮化鋁 (Aluminum Nitride/Al) ，隔離了元件結構和基層。200或以下伏特元件的隔離層是300伏特。在這隔離層上，就是一層厚厚具阻力的氮化鎵，而氮化鎵電晶體就是建立於這個基礎上。一個電子產生氮化鎵鋁層 (AlGaN) ，應用於氮化鎵。氮化鎵鋁層產生吸力場， 吸引著大量自由浮動之電子。進一步的製程會在閘極下面形成一個耗盡區域。要增強電晶體，正電壓應用於閘極處， 正如開啟一個N通道、「增強型」之功率MOSFET。圖1顯示了這個元件結構的剖面圖。這個結構經多次重塑而成為一個功率元件，結果就是提供一個簡單、優雅及低成本的功率轉換解決方案。這個元件之表現跟矽功率MOSFET相似，當然也有不同之處，我們將於以下再作闡釋。
圖1: EPC之氮化鎵功率電晶體結構剖面圖
操作
「宜普」氮化鎵電晶體之表現跟矽功率MOSFET非常相似。在閘極上，相對於源極，一個正偏壓會產生吸引電子的場效應，構成汲極與源極之間相向的通道。由於電子被集中在一起，不會零散困於某一格位置，這個通道電阻是頗低的。從閘極移去偏壓，下面的電子會分散至氮化鎵層，重新產生耗盡區域，能夠阻隔電壓。
要製成一個高壓元件，需增加汲極與閘極之間的距離。由於「宜普」氮化鎵電子被集中在一起時的阻力非常低，所以縱使增加阻隔電壓之能力，若與矽元件相比，其對電阻的影響會更少。
圖2顯示了理論上的電阻乘以晶片面積，氮化鎵及矽元件於不同電壓下之表現限制，及「宜普」第一代元件的效能。
各位電子工程界朋友均知道矽製MOSFET巳開發了三十年，矽製元件之表現巳接近它理論上的最高限制，若希望其表現再進一步, 將需要龐大資源去開發。相對來說，氮化鎵元件在產品發展周期中剛剛起步，在這數年內將可預見其重大進程。
圖2: 理論上的電阻乘以晶片面積, 氮化鎵及矽元件於不同電壓下之表現限制
閘極臨界
氮化鎵電晶體之臨界比矽功率MOSFET為低，這樣是有可能的，因為臨界不會隨溫度變化及具備很低的閘極對汲極電容(CGD)。
圖3顯示了「宜普」1001 (100V，5.6mΩ) 之電晶體傳輸特徵曲線圖。電流與溫度持相反關係給與了互補，構成直線區域。當元件在1.6伏特電壓時開始傳導大量電流，元件於dV/dt轉變時，從閘極至源需要低電阻。
圖3: 傳輸特徵曲線圖
電阻
阻抗(RDS(on) ) 及閘極對源極電壓(VGS) 曲線圖是跟MOSFET相似的。「宜普」第一代氮化鎵電晶體專為以5V驅動器操作而設。
圖4顯示了「宜普」1001之一系列曲線圖。當閘極電壓越接近最高水平，汲極對源極的電阻則持續下降。由於閘極驅動器損耗極少，所以氮化鎵電晶體能夠以5V驅動器操作。氮化鎵電晶體之電阻R DS(on) 溫度系數為正數，但幅度比MOSFET小很多 -- 在攝氏125度時，「宜普」1001系數為攝氏25度時的1.45倍；而矽功率MOSFET則是1.7倍。這個優勢會隨著電壓增加而增強。
圖4: 在不同電流下RDS(on) 與VGS相比
電容
氮化鎵電晶體的橫向結構使元件具極低電荷特性，能夠在數奈米秒內切換數百伏特，切換頻率可達數兆赫，這個性能可縮小功率轉換器體積，及使Ｄ級放大器具更高保真度。閘極對汲極電容(CGD) 是最重要的，因它最影響切換功率損耗。「宜普」氮化鎵場效應電晶體因為具極低CGD，致使電壓 切換非常迅速。相比CGD，閘極對源極電容 (CGS) 較大，使氮化鎵電晶體擁超卓dV/dt 抗擾性能。相比矽MOSFET，閘極對源極電容 (CGS) 較小，延遲時間很短，是以應用於低負載周期時具極佳管控能力。
根據實例證明, 一個48V至1V降壓穩壓器使用「宜普」100V氮化鎵電晶體, 可於1兆赫切換頻率下表現理想。與矽MOSFET比較，氮化鎵電晶體之CDS也較小，雖然二者之電容曲線相似，但在相同電阻下，最大不同之處是氮化鎵電晶體的電容是更低、極低的。
串聯閘極電阻及閘極漏電流
串聯閘極電阻(RG) 限制了FET的電容充電或放電速度。矽MOSFET只能用多晶矽或混合材料類的金屬矽化物；氮化鎵電晶體則用金屬閘極，閘極的電阻很低，只是二十分一之歐姆，具dV/dt抗擾能力。氮化鎵電晶體不會以氧化增生來隔離閘極。相比矽MOSFET，氮化鎵電晶體閘極漏電流較大，預計在1 mA。
優異指標
總閘極電荷(QG) 是CGS 加CGD 除以電壓。常用之優異指標FOM是RDS(on) 乘以QG ，包括元件在開啟狀態及切換時的表現。圖5展示了氮化鎵電晶體與最優異100V矽MOSFET元件之FOM比較。當電壓增加，其RxQ FOM更具優勢。
圖5氮化鎵電晶體與最優異100V矽MOSFET元件之FOM比較
基板二極體
從上述之圖1可見，「宜普」氮化鎵電晶體結構是一個橫向元件，沒有矽MOSFET常見的寄生二極接面，嚴格來說，其反向偏壓或二極管之操作具相似功能但不同机理。如果從閘極至源極是零偏壓，閘極下方沒有電子。當電流從源極至汲極，汲極電壓會減弱。相比飄移區域，閘極上正偏壓形成後會把電子注入閘極下面。在閘極臨界時，將有足夠電子形成一個傳導通道，其好處是在傳導中因沒有少數載子，所以沒有反向恢復損耗。當QRR 是零，輸出電容 COSS 需要在每次開關周期充電或放電。相比矽MOSFET，若元件之RDS(on) 相若，氮化鎵電晶體具極低COSS。氮化鎵電晶體在反向時需臨界電壓去開啟，二極管之順向電壓會比矽電晶體為高，所以必需把二極管導電減至最小。
封裝
「宜普」氮化鎵電晶體與底層絕緣，可以讓單片製造多個不同配置、快速散熱及不需絕緣介面之電晶體。它可以在晶圓片的一邊湊集汲極及源極電流。若果要湊集電流的金屬層具低電阻，這些通道必需短小，要做到這樣，可利用晶片線柵門陣列封裝，把汲極及源極線交替排列。標準的線距是0.4mm 及0.6mm。
圖6展示了「宜普」1010電晶體 (200V，25 mΩ) 。如果任何部份之沿面放電距離不能達到安全要求，可用underfill方法而達到其所需安全距離。
圖6: 「宜普」1010電晶體
應用及價值
「宜普」設計「增強型」氮化鎵電晶體，取得高效、高頻、低負載周期功率轉換的突破性優勢，相比其他高成本或「耗盡型」元件來得實際，例如「耗盡型」元件當無電源時會失去控制，需要重新開發控制積體電路。
「宜普」氮化鎵電晶體可於頻率高於AM band的，透過高效開關，大幅提升D級音頻放大器技術，因沒有線性放大器之體積及重量方面的所有限制，保真度可接近A級及AB級系統水平，並能夠把高質素放大器放進只有細小元件空間的產品內，如平面電視、電腦及揚聲器。
於處理信息及儲存系統方面，整個功率架構可重新評估，以發揮其卓越開關性能。當AC/DC轉換器輸出電壓增加，效率會更高。當總線電壓增加，傳輸效率會提高。當頻率增加，體積會更小。利用「宜普」氮化鎵能實現最後階段，而這個階段促使第一及第二階段得以實現；如果應用為同步整流器，可同時提高AC/DC效率。如果只是一次轉換，可撤用中間階段轉換器，省卻中間階段轉換器的體積及節省成本。
總結
「宜普」氮化鎵電晶體比矽元件在表現及體積方面具更卓越優勢，其應用可實現高效率或體積之優勢，或二者同時兼得，而它的應用要求及成本結構則與矽元件相似。功率專業人員應重新考慮他們的系統，利用氮化鎵之優勢。氮化鎵電晶體的將來，就是現在！
作者簡介
Robert Beach博士是Efficient Power Conversion「宜普」電源轉換 公司合伙人及共同創辦人，擁有美國加州理工學院物理學博士學位，從1995年開始於研究學院致力研究氮化鎵整流器及閘流體，並創辦多間公司。Robert 專注為電子工程界帶來氮化鎵功率管控元件之應用優勢。
Stephen Colino現任「宜普」電源轉換 公司銷售及應用工程副總裁，負責領導功率解決方案的開發及銷售。Stephen擁有美國田納西州電機及生物醫學工程學士學位，並取得艾德菲大學工商管理碩士學位。Stephen具二十五年之類比設計及功率管理應用經驗，曾任職德州儀器、Ciclon半導體公司、威世-Siliconix、國際整流器公司及ILC Data Device公司。
元件構造
一件元件之成本效益，從利用現有之生產基礎設施開始計算。「宜普」之製程技術，建基於不昂貴的矽晶圓片。在矽基板上有一層薄薄的氮化鋁 (Aluminum Nitride/Al) ，隔離了元件結構和基層。200或以下伏特元件的隔離層是300伏特。在這隔離層上，就是一層厚厚具阻力的氮化鎵，而氮化鎵電晶體就是建立於這個基礎上。一個電子產生氮化鎵鋁層 (AlGaN) ，應用於氮化鎵。氮化鎵鋁層產生吸力場， 吸引著大量自由浮動之電子。進一步的製程會在閘極下面形成一個耗盡區域。要增強電晶體，正電壓應用於閘極處， 正如開啟一個N通道、「增強型」之功率MOSFET。圖1顯示了這個元件結構的剖面圖。這個結構經多次重塑而成為一個功率元件，結果就是提供一個簡單、優雅及低成本的功率轉換解決方案。這個元件之表現跟矽功率MOSFET相似，當然也有不同之處，我們將於以下再作闡釋。
圖1: EPC之氮化鎵功率電晶體結構剖面圖
操作
「宜普」氮化鎵電晶體之表現跟矽功率MOSFET非常相似。在閘極上，相對於源極，一個正偏壓會產生吸引電子的場效應，構成汲極與源極之間相向的通道。由於電子被集中在一起，不會零散困於某一格位置，這個通道電阻是頗低的。從閘極移去偏壓，下面的電子會分散至氮化鎵層，重新產生耗盡區域，能夠阻隔電壓。
要製成一個高壓元件，需增加汲極與閘極之間的距離。由於「宜普」氮化鎵電子被集中在一起時的阻力非常低，所以縱使增加阻隔電壓之能力，若與矽元件相比，其對電阻的影響會更少。
圖2顯示了理論上的電阻乘以晶片面積，氮化鎵及矽元件於不同電壓下之表現限制，及「宜普」第一代元件的效能。
各位電子工程界朋友均知道矽製MOSFET巳開發了三十年，矽製元件之表現巳接近它理論上的最高限制，若希望其表現再進一步, 將需要龐大資源去開發。相對來說，氮化鎵元件在產品發展周期中剛剛起步，在這數年內將可預見其重大進程。
圖2: 理論上的電阻乘以晶片面積, 氮化鎵及矽元件於不同電壓下之表現限制
閘極臨界
氮化鎵電晶體之臨界比矽功率MOSFET為低，這樣是有可能的，因為臨界不會隨溫度變化及具備很低的閘極對汲極電容(CGD)。
圖3顯示了「宜普」1001 (100V，5.6mΩ) 之電晶體傳輸特徵曲線圖。電流與溫度持相反關係給與了互補，構成直線區域。當元件在1.6伏特電壓時開始傳導大量電流，元件於dV/dt轉變時，從閘極至源需要低電阻。
圖3: 傳輸特徵曲線圖
電阻
阻抗(RDS(on) ) 及閘極對源極電壓(VGS) 曲線圖是跟MOSFET相似的。「宜普」第一代氮化鎵電晶體專為以5V驅動器操作而設。
圖4顯示了「宜普」1001之一系列曲線圖。當閘極電壓越接近最高水平，汲極對源極的電阻則持續下降。由於閘極驅動器損耗極少，所以氮化鎵電晶體能夠以5V驅動器操作。氮化鎵電晶體之電阻R DS(on) 溫度系數為正數，但幅度比MOSFET小很多 -- 在攝氏125度時，「宜普」1001系數為攝氏25度時的1.45倍；而矽功率MOSFET則是1.7倍。這個優勢會隨著電壓增加而增強。
圖4: 在不同電流下RDS(on) 與VGS相比
電容
氮化鎵電晶體的橫向結構使元件具極低電荷特性，能夠在數奈米秒內切換數百伏特，切換頻率可達數兆赫，這個性能可縮小功率轉換器體積，及使Ｄ級放大器具更高保真度。閘極對汲極電容(CGD) 是最重要的，因它最影響切換功率損耗。「宜普」氮化鎵場效應電晶體因為具極低CGD，致使電壓 切換非常迅速。相比CGD，閘極對源極電容 (CGS) 較大，使氮化鎵電晶體擁超卓dV/dt 抗擾性能。相比矽MOSFET，閘極對源極電容 (CGS) 較小，延遲時間很短，是以應用於低負載周期時具極佳管控能力。
根據實例證明, 一個48V至1V降壓穩壓器使用「宜普」100V氮化鎵電晶體, 可於1兆赫切換頻率下表現理想。與矽MOSFET比較，氮化鎵電晶體之CDS也較小，雖然二者之電容曲線相似，但在相同電阻下，最大不同之處是氮化鎵電晶體的電容是更低、極低的。
串聯閘極電阻及閘極漏電流
串聯閘極電阻(RG) 限制了FET的電容充電或放電速度。矽MOSFET只能用多晶矽或混合材料類的金屬矽化物；氮化鎵電晶體則用金屬閘極，閘極的電阻很低，只是二十分一之歐姆，具dV/dt抗擾能力。氮化鎵電晶體不會以氧化增生來隔離閘極。相比矽MOSFET，氮化鎵電晶體閘極漏電流較大，預計在1 mA。
優異指標
總閘極電荷(QG) 是CGS 加CGD 除以電壓。常用之優異指標FOM是RDS(on) 乘以QG ，包括元件在開啟狀態及切換時的表現。圖5展示了氮化鎵電晶體與最優異100V矽MOSFET元件之FOM比較。當電壓增加，其RxQ FOM更具優勢。
圖5氮化鎵電晶體與最優異100V矽MOSFET元件之FOM比較
基板二極體
從上述之圖1可見，「宜普」氮化鎵電晶體結構是一個橫向元件，沒有矽MOSFET常見的寄生二極接面，嚴格來說，其反向偏壓或二極管之操作具相似功能但不同机理。如果從閘極至源極是零偏壓，閘極下方沒有電子。當電流從源極至汲極，汲極電壓會減弱。相比飄移區域，閘極上正偏壓形成後會把電子注入閘極下面。在閘極臨界時，將有足夠電子形成一個傳導通道，其好處是在傳導中因沒有少數載子，所以沒有反向恢復損耗。當QRR 是零，輸出電容 COSS 需要在每次開關周期充電或放電。相比矽MOSFET，若元件之RDS(on) 相若，氮化鎵電晶體具極低COSS。氮化鎵電晶體在反向時需臨界電壓去開啟，二極管之順向電壓會比矽電晶體為高，所以必需把二極管導電減至最小。
封裝
「宜普」氮化鎵電晶體與底層絕緣，可以讓單片製造多個不同配置、快速散熱及不需絕緣介面之電晶體。它可以在晶圓片的一邊湊集汲極及源極電流。若果要湊集電流的金屬層具低電阻，這些通道必需短小，要做到這樣，可利用晶片線柵門陣列封裝，把汲極及源極線交替排列。標準的線距是0.4mm 及0.6mm。
圖6展示了「宜普」1010電晶體 (200V，25 mΩ) 。如果任何部份之沿面放電距離不能達到安全要求，可用underfill方法而達到其所需安全距離。
圖6: 「宜普」1010電晶體
應用及價值
「宜普」設計「增強型」氮化鎵電晶體，取得高效、高頻、低負載周期功率轉換的突破性優勢，相比其他高成本或「耗盡型」元件來得實際，例如「耗盡型」元件當無電源時會失去控制，需要重新開發控制積體電路。
「宜普」氮化鎵電晶體可於頻率高於AM band的，透過高效開關，大幅提升D級音頻放大器技術，因沒有線性放大器之體積及重量方面的所有限制，保真度可接近A級及AB級系統水平，並能夠把高質素放大器放進只有細小元件空間的產品內，如平面電視、電腦及揚聲器。
於處理信息及儲存系統方面，整個功率架構可重新評估，以發揮其卓越開關性能。當AC/DC轉換器輸出電壓增加，效率會更高。當總線電壓增加，傳輸效率會提高。當頻率增加，體積會更小。利用「宜普」氮化鎵能實現最後階段，而這個階段促使第一及第二階段得以實現；如果應用為同步整流器，可同時提高AC/DC效率。如果只是一次轉換，可撤用中間階段轉換器，省卻中間階段轉換器的體積及節省成本。
總結
「宜普」氮化鎵電晶體比矽元件在表現及體積方面具更卓越優勢，其應用可實現高效率或體積之優勢，或二者同時兼得，而它的應用要求及成本結構則與矽元件相似。功率專業人員應重新考慮他們的系統，利用氮化鎵之優勢。氮化鎵電晶體的將來，就是現在！
作者簡介
Robert Beach博士是Efficient Power Conversion「宜普」電源轉換 公司合伙人及共同創辦人，擁有美國加州理工學院物理學博士學位，從1995年開始於研究學院致力研究氮化鎵整流器及閘流體，並創辦多間公司。Robert 專注為電子工程界帶來氮化鎵功率管控元件之應用優勢。
Stephen Colino現任「宜普」電源轉換 公司銷售及應用工程副總裁，負責領導功率解決方案的開發及銷售。Stephen擁有美國田納西州電機及生物醫學工程學士學位，並取得艾德菲大學工商管理碩士學位。Stephen具二十五年之類比設計及功率管理應用經驗，曾任職德州儀器、Ciclon半導體公司、威世-Siliconix、國際整流器公司及ILC Data Device公司。
