GaN技術(shù)：電子領(lǐng)域的下一波浪潮

在電子領(lǐng)域，尤其是功率電子領(lǐng)域，一項(xiàng)前沿技術(shù)正逐漸嶄露頭角：氮化鎵（GaN）。荷蘭芯片制造商 Nexperia 贊助的行業(yè)活動吸引了眾多參與者，他們認(rèn)為在汽車、消費(fèi)電子和航空航天等領(lǐng)域，特別是在功率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中，GaN 技術(shù)正迎來廣泛應(yīng)用的機(jī)會。

例如，Kubos Semiconductor 公司正在開發(fā)一種名為立方GaN的新材料，這是氮化鎵的立方晶體結(jié)構(gòu)。Kubos 首席執(zhí)行官 Caroline O'Brien 指出：“立方GaN不僅可以在大型晶圓（直徑達(dá)150毫米或更大）上生產(chǎn)，還可以擴(kuò)展到更大的晶圓尺寸，而且可以輕松集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)線中?！?/span>

同時(shí)，其他公司也在不斷努力擴(kuò)大寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體在電源管理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。英國的電氣化專家Ricardo正在積極利用GaN和碳化硅技術(shù)來拓展其電力業(yè)務(wù)。

Ricardo公司的首席工程師Temoc Rodriguez指出，特斯拉是第一家在汽車制造中采用碳化硅（SiC）來替代絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的汽車制造商，這標(biāo)志著一種趨勢，即更多地使用WBG材料來提高功率效率、減小功率轉(zhuǎn)換器尺寸和重量。

另一方面，瑞典公司Hexagem的首席執(zhí)行官M(fèi)ikael Bj?rk介紹了他們正在開發(fā)的硅基GaN技術(shù)，旨在在成本上更具競爭力，同時(shí)在未來應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)規(guī)模優(yōu)勢。Bj?rk表示：“我們想辦法使GaN達(dá)到更高的額定電壓?！?/span>

Nexperia是這一行業(yè)活動的贊助商之一，他們指出每一代新的GaN技術(shù)都在性能方面穩(wěn)步取得進(jìn)展，這些進(jìn)展有可能超越硅技術(shù)目前的成本優(yōu)勢。支持者認(rèn)為，這些進(jìn)展是因?yàn)樵诠杓夹g(shù)上的漸進(jìn)改進(jìn)已經(jīng)無法滿足新一代電子器件的需求。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

隨著全球?qū)p少二氧化碳排放的壓力不斷增加，各行各業(yè)，從汽車到電信，都不得不投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和電氣化。硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)，如IGBT，存在著工作頻率和速度上的基本限制，同時(shí)在高溫和低電流性能方面表現(xiàn)不佳。高壓硅場效應(yīng)管（Si FET）的頻率和高溫性能同樣受到限制。

這些局限性促使應(yīng)用設(shè)計(jì)人員考慮采用寬帶隙半導(dǎo)體材料，如GaN。

Kubos Semiconductor的O'Brien表示：“隨著設(shè)計(jì)尺寸的減小和效率的提高，我認(rèn)為GaN有望在以前未被廣泛采用的應(yīng)用中嶄露頭角，例如小型基站。對于較小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，這是一個(gè)真正的機(jī)會?！?/span>

其中一個(gè)關(guān)鍵特性是GaN的開關(guān)頻率響應(yīng)，特別是在高達(dá)5-10千瓦的DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中。Ricardo公司的Rodriguez補(bǔ)充道：“這標(biāo)志著電信和能源領(lǐng)域的標(biāo)志，同時(shí)還可以考慮在消費(fèi)電子產(chǎn)品中應(yīng)用。有許多以DC/DC轉(zhuǎn)換器為核心的應(yīng)用，可以提高效率并節(jié)省能源?！?/span>

除了更高的電壓外，Hexagem的Bj?rk還強(qiáng)調(diào)晶圓尺寸的縮小，同時(shí)優(yōu)化GaN器件的生產(chǎn)以降低成本。Bj?rk預(yù)測：“目前市場定位為150毫米晶圓，但未來可能擴(kuò)大到200毫米晶圓，甚至可能嘗試300毫米晶圓。”

然而，值得注意的是，雖然硅基GaN技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的GaN技術(shù)之一，但在器件開發(fā)方面并不是沒有挑戰(zhàn)。

Bj?rk說：“氮化鎵和硅的晶格常數(shù)非常不同，因此它們不匹配。在將GaN置于硅上之前，您必須生長出相當(dāng)先進(jìn)的不同層堆疊。當(dāng)你按這個(gè)要求做時(shí)，就會產(chǎn)生很多缺陷和過早破損的晶圓。另一個(gè)問題是GaN和硅之間的熱膨脹不匹配，當(dāng)你將其加熱到大約1000°C時(shí)，當(dāng)你冷卻這兩種材料時(shí)，它們會以不同的速率收縮，最終可能會破壞結(jié)構(gòu)。”

不過，Nexperia的GaN應(yīng)用總監(jiān)Jim Honea指出，從車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器到牽引和輔助逆變器等汽車應(yīng)用都在利用GaN技術(shù)?；裟醽喺f：“電動汽車大型電池的開發(fā)正在創(chuàng)造許多過去沒有人想象到的應(yīng)用?！?/span>

此外，Nexperia的Dilder Chowdhury指出，低Qrr或反向恢復(fù)電荷有助于簡化濾波器設(shè)計(jì)，從而提高開關(guān)性能。GaN功率晶體管還可以與常見的柵極驅(qū)動電路并聯(lián)使用。然而，高電壓和高開關(guān)頻率仍然是最大的挑戰(zhàn)，特別是對于傳統(tǒng)硅工程師而言。

隨著電動汽車制造商尋求提高續(xù)航里程，GaN功率集成電路（IC）作為一種減小尺寸和重量同時(shí)提高效率的方法備受關(guān)注。GaN可用于設(shè)計(jì)比硅基系統(tǒng)小四倍、重量輕四倍的電力電子系統(tǒng)，其能量損失與硅基系統(tǒng)相當(dāng)。此外，零反向恢復(fù)電荷可以減少電池充電器和牽引逆變器的開關(guān)損耗，同時(shí)還帶來更高的開關(guān)頻率和更快的開關(guān)速率等優(yōu)點(diǎn)。

支持者還聲稱，寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員提供了提高效率和功率密度的新途徑。與硅器件一樣，單個(gè)GaN器件的電流處理能力仍然有上限，因此常常采用并聯(lián)GaN器件的方法來優(yōu)化性能。

GaN技術(shù)正在電力電子領(lǐng)域嶄露頭角，受到了廣泛的關(guān)注和投資。這一前沿技術(shù)在汽車、消費(fèi)電子和航空航天等領(lǐng)域，特別是在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，展現(xiàn)了巨大的潛力。這將有助于滿足全球減排壓力，推動更高效的電力轉(zhuǎn)換和電氣化，為未來的電子器件設(shè)計(jì)師提供了全新的可能性。