GaN 高電子遷移率場效應電晶體（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)廣泛地刺激了學術界和工業(yè)界對於功率切換應用之電晶體的發(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)能夠在藍寶石（sapphire）、碳化矽（SiC）與矽基板上實現(xiàn)，而這三個平臺各具有不同的優(yōu)點和缺點。

　　在元件開發(fā)上所做的努力已經(jīng)預告了在技術上當之無愧的成果，但GaN仍尚未取得重大的商業(yè)化應用。這情況有很多種解釋，而且這些解釋往往圍繞在其認為 GaN 二極體和電晶體可產(chǎn)生令人印象深刻的結果，但它們比其矽晶材料的競爭對手要更為昂貴。或者是不懷好意地表示，它們并不會比現(xiàn)有技術還來得劃算。

　　這解釋了今天的應用市場上所發(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：一旦應用所需的最低效能能夠達成時，則最便宜的解決方案將取得勝利。因此，為了讓以GaN為基礎的產(chǎn)品能夠在更廣闊的市場中實現(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放在無法被基於矽晶技術等較低成本的競爭技術所解決的應用上。

　　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)線上進行處理。美國能源部（DoE）的研究人員也贊同此觀點，他們資助了一個計劃以進行研究，并期望最終能將矽基碳化鎵（GaN-on-silicon）的功率元件技術商品化。我們都參與其中，而且匯集了來自麻省理工學院、麻省理工學院林肯實驗室、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的道路上，因為我們已經(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、元件設計和基礎制程問題上所做的努力。

　　從過去所學習到的教訓

　　為了要了解目前GaN市場的情況，先對GaAs元件在微波領域中的演進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元件的廣泛應用。在當時─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、政府資助的應用上。但這種情況在1980年代中期，因為有了許多能夠提供高品質(zhì)GaAs磊晶晶圓的供應商之後而有了完全的改變，而且蜂巢式行動電話技術的商業(yè)化，也提供了一個矽材料技術所無法處理的市場。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)性成長的技術藍圖。

　　這些GaAs市場的趨勢可以反映在GaN功率元件的領域上。我們的觀點認為這些寬能隙（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GaN功率元件產(chǎn)業(yè)往此方向轉向時，GaN-on-silicon晶圓的商業(yè)供應商數(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。這有部份是因為磊晶晶圓成品的制造供應商數(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而已。更重要的是，SiC基板的成本始終是遠高於矽基板，這是因為這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三個數(shù)量級。