GaN 高電子遷移率場效應(yīng)電晶體（HEMTs）元件正處於電力電子業(yè)革命性改變的邊緣上，而這要感謝它們所具備將元件的效能提升到一個新水平的能力。它們極大的希望已經(jīng)廣泛地刺激了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對於功率切換應(yīng)用之電晶體的發(fā)展，而且其具有一組令人印象刻的特性：超過 2W/mm 的功率密度；能夠連續(xù)流通 10A 以上電流的能力；以及非常高的逆向崩潰阻斷電壓，通常能夠超過 1kV。這些電晶體的原型已經(jīng)能夠在藍(lán)寶石（sapphire）、碳化矽（SiC）與矽基板上實(shí)現(xiàn)，而這三個平臺各具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　在元件開發(fā)上所做的努力已經(jīng)預(yù)告了在技術(shù)上當(dāng)之無愧的成果，但GaN仍尚未取得重大的商業(yè)化應(yīng)用。這情況有很多種解釋，而且這些解釋往往圍繞在其認(rèn)為 GaN 二極體和電晶體可產(chǎn)生令人印象深刻的結(jié)果，但它們比其矽晶材料的競爭對手要更為昂貴?；蛘呤遣粦押靡獾乇硎?，它們并不會比現(xiàn)有技術(shù)還來得劃算。

　　這解釋了今天的應(yīng)用市場上所發(fā)生的事情。在這個競爭舞臺上，GaN產(chǎn)品的有限成功，則可以說明被廣泛使用的口頭禪：一旦應(yīng)用所需的最低效能能夠達(dá)成時，則最便宜的解決方案將取得勝利。因此，為了讓以GaN為基礎(chǔ)的產(chǎn)品能夠在更廣闊的市場中實(shí)現(xiàn)其全部潛力，則有兩個改變必須要能夠發(fā)生：材料成本必須大幅下降；而且元件制造廠必須將目標(biāo)放在無法被基於矽晶技術(shù)等較低成本的競爭技術(shù)所解決的應(yīng)用上。

　　如何壓低GaN元件成本的路線之一，包括了將其制作在矽材料上并且在矽晶生產(chǎn)線上進(jìn)行處理。美國能源部（DoE）的研究人員也贊同此觀點(diǎn)，他們資助了一個計劃以進(jìn)行研究，并期望最終能將矽基碳化鎵（GaN-on-silicon）的功率元件技術(shù)商品化。我們都參與其中，而且匯集了來自麻省理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、M/A-COM Technology Solutions公司，以及最近的 Kopin 公司等專家們。

　　我們對於這個計劃的目標(biāo)是要將GaN-on-silicon電晶體、二極體和單晶整合（monolithic）電路的阻斷電壓提高至超過5kV，并將電流承載能力提高至10A以上。我們已經(jīng)成功地位於滿足此一目標(biāo)的道路上，因?yàn)槲覀円呀?jīng)將阻斷電壓提高至超過2kV且其電流處理能力也大於10A。這些成就是源於聚焦在材料、元件設(shè)計和基礎(chǔ)制程問題上所做的努力。

　　從過去所學(xué)習(xí)到的教訓(xùn)

　　為了要了解目前GaN市場的情況，先對GaAs元件在微波領(lǐng)域中的演進(jìn)有一些了解是會有所幫助的。在早期時候，缺乏商品化的高品質(zhì)GaAs磊晶（epitaxy）材料限制了基於GaAs元件的廣泛應(yīng)用。在當(dāng)時─1970年代晚期和1980年代早期─很多公司基本上是完全依賴於自己內(nèi)部所生產(chǎn)的 GaAs 磊晶晶圓，而整體市場通常也局限於小批量、政府資助的應(yīng)用上。但這種情況在1980年代中期，因?yàn)橛辛嗽S多能夠提供高品質(zhì)GaAs磊晶晶圓的供應(yīng)商之後而有了完全的改變，而且蜂巢式行動電話技術(shù)的商業(yè)化，也提供了一個矽材料技術(shù)所無法處理的市場。這些市場條件催生了相對低成本、高產(chǎn)量之操作於無線電頻率的GaAs元件之指數(shù)性成長的技術(shù)藍(lán)圖。

　　這些GaAs市場的趨勢可以反映在GaN功率元件的領(lǐng)域上。我們的觀點(diǎn)認(rèn)為這些寬能隙（bandgap）元件只有在矽基板上制造時，才能具備相對於現(xiàn)有技術(shù)的成本競爭力，矽基板的成本是相對便宜的，而其晶圓尺寸可大至 300mm，并且可在現(xiàn)有的高產(chǎn)量矽晶圓代工廠的生產(chǎn)線上制造。當(dāng)GaN功率元件產(chǎn)業(yè)往此方向轉(zhuǎn)向時，GaN-on-silicon晶圓的商業(yè)供應(yīng)商數(shù)量將增加，而且他們的競爭將會在其產(chǎn)量起飛時推動價格下降。

　　我們不指望在SiC基板上所制造的GaN和SiC元件的市場會以同樣的方式發(fā)展。這有部份是因?yàn)槔诰ЬA成品的制造供應(yīng)商數(shù)目較少，而且只比屈指可數(shù)的SiC基板制造廠還稍微多一點(diǎn)而已。更重要的是，SiC基板的成本始終是遠(yuǎn)高於矽基板，這是因?yàn)檫@兩種材料在晶體成長上的基本差異。SiC的成長是在2100℃下發(fā)生，比矽基板的溫度還高600℃，而且由物理定律得知，其成長速度會比矽還慢了高達(dá)三個數(shù)量級。