發揮GaN功率晶片的最大性能 開發P型通道的解決方案仍是最主要的挑戰

爲了發揮GaN功率晶片的最大性能，開發P型通道的解決方案仍是最主要的挑戰，目標是採用GaN製造P型通道元件，並確保其具備一定性能。互補式金氧半導體（CMOS）技術透過P型與N型場效電晶體運作，兩種元件相互輔助且對稱成雙，使得電洞與電子能夠自由遷移。

然而，氮化鎵元件的電子遷移率大約是電洞遷移率的60倍，而矽基元件僅僅相差兩倍。也就是說，以電洞爲主要載子的P型通道會比N型通道還要大上60倍，而且效率非常低。最常見的替代方案是以電阻器取代P型MOS元件，RTL電路也被用於GaN晶片，但是必須在開關速度與功耗之間取捨。

imec氮化鎵電力電子研究計劃主持人Stefann Decoutere指出，我們在SOI基板上將空乏型HEMT整合到功能性增強型HEMT平臺上，實現了GaN晶片的性能升級。其中，增強型（e-mode）與空乏型元件（d-mode）分別代表源極電壓爲零時電路的開啓（ON）與關閉（OFF）狀態，能夠控制電晶體產生或不產生電流。藉由全新的電路設計，把RTL電路變成直接耦合的FET邏輯電路，我們預期將能提升開關速度，並減少電路的功率消耗。

透過整合蕭基二極體，氮化鎵功率晶片的電源效率就能進一步提升。與矽基二極體相比，蕭基二極體能在電路開啓且具備相同的電阻情況下承受更高的電壓，或是在相同的崩潰電壓下降低電路開啓時的電阻。

Stefann Decoutere表示，製造蕭基二極體的挑戰是以低電壓開啓電路時，還要減少漏電。不幸的是，若想要實現低導通電壓，勢必會面臨能障（barrier）較小而導致難以控制漏電的問題。蕭基二極體的漏電流可是出了名的高得嚇人。

Stefann Decoutere接着說明，imec開發了具備專利的閘極邊緣終止型蕭基二極體（Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode；GET-SBD）結構，可以在約爲0.8V的低導通電壓下，有效地降低漏電流，與傳統的氮化鎵蕭基二極體相差百倍以上。

氮化鎵是高功率應用的必用材料，因爲其臨界電壓，也就是能促使電晶體進入崩潰狀態的運作條件，是矽材的10倍。此外，在低功率應用上，氮化鎵因爲具備更佳的開關速度，也能勝過矽材。

Stefaan Decoutere表示，我們開發的氮化鎵晶片能有助於設計出更小尺寸、更高效率的DC/DC轉換器與負載點（POL）轉換器。舉例來說，智慧型手機、平板或筆電全都內建不同晶片，分別以不同電壓運作，因此需要AC/DC轉換器來進行充電，還要內建PoL轉換器來產生不同電壓。這些元件不僅具備開關，還有變壓器、電容器和電感器，所以電晶體的開關速度越快，這些元件就能設計得越小，進而在相同功率下實現更加緊湊與低成本的系統設計。

他進一步分析，目前商機最大的氮化鎵市場是快速充電器，接着是伺服器、汽車與可再生能源應用的電源供應系統。可以想見，以氮化鎵材料製成的電源供應元件更能展現系統級的高可靠度，不僅縮小了尺寸與重量，還能減少物料需求，進而降低成本。

Stefann Decoutere表示，我們將會持續改良現有平臺的性能，進一步進行可靠度測試。該平臺目前提供200V與650V的原型元件，很快就會開放100V的規格。就性能而言，具備更高功率的1200V氮化鎵晶片所能達到的升級可能有限。畢竟電路電壓變高時，要驅動那些整合的元件運作也會變慢，所以可能並不需要在晶片上整合驅動器，後續模擬會提供我們驗證。

Stefann Decoutere表示，同時，我們也在探索1200V獨立元件的替代方案，如此一來，氮化鎵技術就能用於電動車等超高功率應用。目前氮化鎵元件採用的主流電晶體架構是橫向拓撲（lateral topolgy），每個元件包含源極、閘極與汲極三個端子，全都在同個基板的表面上，因此產生橫向電場，分佈於所有的氮化鎵緩衝層，以及部分的後段製程結構，例如金屬導線與氧化層。

Stefann Decoutere補充說明，在垂直堆疊的元件中，源極與閘極位處表面，而汲極在堆疊的底層。在此情況下，電場會貫穿整座堆疊，而源極與汲極之間的間距會決定元件崩潰電壓的大小，間距越寬，通道就越不容易進入崩潰狀態。

Stefann Decoutere總結，在平面的拓樸結構下，源極與汲極相距越遠，元件尺寸就越大。由於1200V功率元件的晶片太過龐大，採用橫向結構時，通常會建議最高電壓爲650V。相較之下，採用垂直結構的元件可以實現更高的電壓，因爲源極與汲極位於堆疊的頂層與底層，所以可以增加磊晶厚度，而讓晶片面積維持不變。