在上一屆Nexperia Power 現(xiàn)場活動中，許多行業(yè)領(lǐng)袖討論了與氮化鎵技術(shù)相關(guān)的不同話題。作為一種材料，在許多應(yīng)用中，GaN 似乎比硅具有顯著的內(nèi)在優(yōu)勢。顯然有許多市場應(yīng)用受益于 GaN，包括消費、汽車和航天工業(yè)中的電源轉(zhuǎn)換器。

GaN 面板有許多行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，包括 Kubos Semiconductor 的 CEO Caroline O‘Brien；里卡多總工程師 Temoc Rodriguez；Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk；Nexperia 戰(zhàn)略營銷總監(jiān) Dilder Chowdhury 和 Nexperia GaN 應(yīng)用總監(jiān) Jim Honea。Chowdhury 主要致力于 GaN 的中到更高功率，而 Honea 是高壓應(yīng)用的電路設(shè)計師。

Kubos Semiconductor 正在開發(fā)新技術(shù)和一種稱為立方氮化鎵的新材料。“這是氮化鎵的立方體形式，我們不僅可以在 150 毫米及以上的大規(guī)模晶圓上生產(chǎn)它，而且有可能將它們擴(kuò)展到更高的晶圓尺寸，并可以無縫插入現(xiàn)有的生產(chǎn)線，”奧布萊恩說。

Ricardo 正在寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體領(lǐng)域工作，以擴(kuò)展碳化硅和 GaN 的電氣化計劃。Rodriguez 指出，Tesla 是第一個采用 SiC 代替 IGBT 的公司，許多公司也在采用包括 GaN 在內(nèi)的 WBG 解決方案，以期提高效率并減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。

Bj?rk 談到了 Hexagem 為降低未來應(yīng)用的成本和規(guī)模優(yōu)勢而開發(fā)的高質(zhì)量硅基 GaN 的開發(fā)活動。“我們正在尋求更高的額定電壓要求，”Bj?rk 說。

根據(jù) Nexperia 的說法，GaN 等新技術(shù)的一大優(yōu)點是它們在性能上實現(xiàn)了代代相傳的巨大飛躍。硅領(lǐng)域的所有重大勝利都已經(jīng)取得；在技術(shù)生命周期的這個階段，這一切都與漸進(jìn)式改進(jìn)有關(guān)。

應(yīng)用

隨著降低 CO 2排放的社會壓力和法規(guī)的增加，從汽車到電信等行業(yè)都被推動投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和更多的電氣化。傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），在工作頻率和速度方面存在基本限制，高溫和低電流性能較差。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。因此，WBG 半導(dǎo)體在許多應(yīng)用中變得越來越流行。

“在應(yīng)用市場中，隨著更小設(shè)計占用空間方面的改進(jìn)，以及由于更高的效率，我認(rèn)為 GaN 能夠?qū)崿F(xiàn)以前未被認(rèn)可或廣泛應(yīng)用的應(yīng)用，例如小型基站，”O(jiān)’Brien 說。“所以我認(rèn)為整體較小的系統(tǒng)設(shè)計有真正的機(jī)會，這為開發(fā)新的和令人興奮的機(jī)會開辟了道路。”

圖 1：立方氮化鎵（來源：Kubos Semiconductor）

正如 Rodriguez 指出的那樣，關(guān)鍵特性是開關(guān)頻率響應(yīng)。它為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供高達(dá) 5-10 kW 的有趣應(yīng)用。“這是一種可以在電信和能源以及消費電子產(chǎn)品中考慮的標(biāo)志，”他說。“有很多應(yīng)用以 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為中心，以提高效率和節(jié)能。”

圖 2：汽車市場中的 GaN（來源：Ricardo）

Rodriguez 描述了 GaN 在汽車領(lǐng)域的主要應(yīng)用，如圖 2 所示：“在左側(cè)，您可以看到車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。目前，車載充電器可以達(dá)到 3.3 kW，可能達(dá)到 7 kW，或者向 11 kW 或 22 kW 邁進(jìn)，強(qiáng)調(diào) GaN。電流額定值無法與碳化硅或 IGBT 進(jìn)行比較。這限制了您可以使用的功率，也促使電路設(shè)計人員開始研究并聯(lián)設(shè)備。所以我們肯定是從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開始的。

“我們很容易想象第一個應(yīng)用是 400V 到 12V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，”他繼續(xù)說道。“因此，這將是從您的高壓電池獲取電力并為您的 12-V 電池充電并保持電量充足的電池。下一個級別將是將該功率級別增加到 5 kW。當(dāng)汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向 800V 電池系統(tǒng)時，真正的挑戰(zhàn)就變成了該怎么做。”

Bj?rk 強(qiáng)調(diào)了晶圓的重要性以及我們正在關(guān)注電壓方面越來越高的要求，以及優(yōu)化 GaN 器件的生產(chǎn)和盡可能降低成本的事實。“現(xiàn)在，150 毫米晶圓是市場地址，但在未來，你可以擴(kuò)大到 200 毫米晶圓，誰知道，可能會嘗試 300 毫米晶圓，”他說。

GaN-on-Si 技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，但在開發(fā)方面并沒有很好的聲譽(yù)。Bj?rk 表示，它面臨著挑戰(zhàn)，而且由于兩個主要問題，硅基 GaN 的生長并不容易。

“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數(shù)，因此它們不匹配，”他說。“因此，在將 GaN 置于硅上之前，您必須先生長相當(dāng)先進(jìn)的不同層堆棧，當(dāng)您這樣做時，會產(chǎn)生許多有害的缺陷、位錯、損失和過早損壞。另一個問題是 GaN 和硅之間的熱膨脹不匹配，所以當(dāng)你將其升溫到 1，000?C 左右時，當(dāng)你冷卻這兩種材料時，它們會以不同的速度收縮，最終可能會破壞結(jié)構(gòu)。”

圖 3 顯示了 Hexagem 在非常薄的 100 納米硅晶片上開發(fā)的新技術(shù)。Bj?rk 表示，通過對這個表面進(jìn)行建模，可以生長出無缺陷的 GaN 柱。“已經(jīng)開發(fā)出一種將這些柱子融合成平面層的方法，”他說。“我們正在致力于在其他半導(dǎo)體上開發(fā)這種工藝。”

圖 3：Hexagem 合并的 GaN-on-Si（來源：Hexagem）

Honea 強(qiáng)調(diào)了汽車行業(yè)的重要性。車載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和輔助逆變器都是 GaN 的重要電氣化機(jī)會。“電動汽車用大型電池的開發(fā)正在創(chuàng)造許多過去沒有人想象過的應(yīng)用，”Honea 說。

Chowdhury 說，由于 Q rr低或幾乎沒有 Q rr，這有助于降低濾波器設(shè)計，從而使設(shè)計更加簡單。它大大提高了切換性能。如果對柵極驅(qū)動電路有很好的理解，可以很容易地并行使用 GaN 功率晶體管。合適的去耦緩沖電路有助于輕松并聯(lián)功率 GaN FET。最困難的問題是處理高電壓和開關(guān)頻率，許多工程師以前可能從未使用現(xiàn)有的硅技術(shù)處理過這些問題。

GaN 功率半導(dǎo)體作為下一代高性能電動汽車的關(guān)鍵組件越來越受到關(guān)注，有助于減小尺寸和重量，同時提高效率。這些注意事項解決了與范圍有關(guān)的問題。工程師可以使用 GaN 來創(chuàng)建比基于硅的系統(tǒng)小 4 倍、更輕、能量損失少 4 倍的電力電子系統(tǒng)。零反向恢復(fù)可降低電池充電器和牽引逆變器中的開關(guān)損耗，以及更高的頻率和更快的開關(guān)速率是其中的好處。此外，減少開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗有助于減少電容器、電感器和變壓器的重量和體積，用于電動汽車充電器和逆變器等應(yīng)用。

WBG 技術(shù)正在提供解決方案，因為電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員正在尋找提高其設(shè)計效率和功率密度的方法。GaN 晶體管正日益成為解決方案，但與其硅晶體管一樣，單個器件的電流處理能力仍有上限。并行使用此類設(shè)備是一種常見方法。“使用 GaN 的一個有趣的事情是我們可以擴(kuò)展尺寸，”Honea 說。“通過并聯(lián) GaN 晶體管，我們可以擴(kuò)展功率。但是，如果將它們并聯(lián)，則會增加共振，并且必須確保不會激發(fā)和放大它們。”

設(shè)計方面

Rodriguez 表示，Ricardo 多年來一直與 SiC 合作開發(fā)牽引逆變器解決方案。Ricardo 在該應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?GaN 進(jìn)行了測試（圖 4），將兩個 30 kW 應(yīng)用置于同一級別。“從模擬中，您會看到峰值的差異，如圖 4 所示，”羅德里格斯說。“我認(rèn)為這里最引人注目的圖表是關(guān)于損耗如何分布的餅圖，這很有趣，因為它表明在碳化硅中，您可以將轉(zhuǎn)換器設(shè)計為具有大致相等的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。在這種情況下，大部分損耗為 63% 的開關(guān)損耗，其余為傳導(dǎo)損耗，但在氮化鎵逆變器中，事物發(fā)生了變化。換句話說，幾乎消除了開關(guān)損耗，

“現(xiàn)在，當(dāng)然，您可能決定并聯(lián)設(shè)備，增加成本，這將減少您的傳導(dǎo)損耗，而不會對您的開關(guān)損耗產(chǎn)生太大影響，”他補(bǔ)充道。“雖然你不能用碳化硅做到這一點，但開關(guān)損耗是存在的，并且通過并聯(lián)設(shè)備會變得更糟。所以這是氮化鎵的一個關(guān)鍵點，也是為什么我認(rèn)為它會在不久的將來成為主導(dǎo)技術(shù)的原因。”

圖 4：用于 30 kW 牽引逆變器的 GaN 與 SiC（來源：Ricardo）

使用 GaN 時，開關(guān)損耗也顯著降低。通過使用 GaN 技術(shù)提高開關(guān)的開啟速度，可以最大限度地減少在此過渡期間發(fā)生的損耗。通過提高開關(guān)頻率，許多大型組件的尺寸都會縮小（例如變壓器、電感器和輸出電容器）。與硅相比，GaN 具有更大的熱導(dǎo)率并且可以承受更高的溫度。兩者都有助于減少對熱管理組件（例如龐大的散熱器和冷卻裝置）的要求，從而顯著節(jié)省電源尺寸和重量。

供應(yīng)鏈

同時設(shè)計產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的能力正在成為制造公司的一項關(guān)鍵能力。“GaN-on-Si 的最大優(yōu)勢之一是它是在硅襯底上生長的，所以它現(xiàn)在是 150 毫米，并且正在努力達(dá)到 200 毫米，目前大多數(shù)反應(yīng)堆都可以容納這兩者，”Chowdhury 說。“在這種情況下，實際上增加反應(yīng)堆的數(shù)量可以增加晶圓廠的初始供應(yīng)材料。世界各地有許多硅晶圓廠，增加現(xiàn)有硅晶圓廠的產(chǎn)能要容易得多。對于芯片級或封裝級的后端，我們有一個垂直組織，我們在遠(yuǎn)東和全球的多個站點擁有自己的封裝。這使我們能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)，特別是對于封裝設(shè)備。顯然，在芯片層面，我們投入了大量資金來增加產(chǎn)能并滿足需求。所以我希望這能讓我們初步了解我們正在努力應(yīng)對的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。”

O‘Brien 認(rèn)為，無論是垂直整合的供應(yīng)鏈、純代工廠還是化合物半導(dǎo)體，該行業(yè)都必須開始準(zhǔn)備。幾乎所有行業(yè)對零部件的需求都在同時上升，尤其是在汽車、智能手機(jī)、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域，這些行業(yè)需要越來越多的成品零部件。競爭環(huán)境的突然變化會給供應(yīng)鏈和分銷鏈帶來負(fù)擔(dān)，造成物流和交貨時間問題，以及由于關(guān)鍵的供應(yīng)商關(guān)閉或停產(chǎn)而導(dǎo)致的放緩。