將 GaN 技術(shù)推向新的階段

氮化鎵 (GaN) 是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅相比，它具有出色的特性和性能，包括高效率、高開關(guān)速率、出色的熱管理以及小尺寸和重量。要在功率應(yīng)用中大量采用基于GaN 的器件，仍然需要克服一些障礙，主要與其大批量制造和降低價(jià)格有關(guān)。?

在 PowerUP Virtual Expo 期間，Innoscience 的總經(jīng)理 Denis Marcon 就這個(gè)話題做了演講。Innoscience 是一家領(lǐng)先的公司，其使命是通過以最低的價(jià)格提供一流且可靠的器件，使 GaN 技術(shù)在市場上廣泛應(yīng)用。?

Marcon 表示，我們正在進(jìn)入 GaN 技術(shù)的新階段，需要提供大批量制造和供應(yīng)安全，以支持所有出現(xiàn)的基于 GaN 的新應(yīng)用。此外，強(qiáng)烈需要大幅降低 GaN 的價(jià)格，以便人們可以從該技術(shù)中受益，而無需為此支付高額溢價(jià)。Innoscience 正在通過成為全球最大的集成器件制造商來滿足這些需求，該制造商完全專注于 GaN 技術(shù)。Innoscience 擁有世界上最大的專用 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓制造能力。目前，該公司每月能夠提供10,000片晶圓。這將在今年晚些時(shí)候達(dá)到每月 14,000 片 8 英寸晶圓，到 2025 年每月將超過 70,000 片晶圓。?

多年來，GaN 技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。直到 2010 年左右，公司都忙于證明這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)階段。第二階段，從 2010 年到 2015 年，第一批設(shè)備出現(xiàn)在市場上。這代表了一個(gè)巨大的變化，允許人們購買 GaN 器件并開始在實(shí)際項(xiàng)目中使用它們。第三階段開始于 2015 年左右，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)工程師意識到 GaN 不是即插即用的。他們不能僅僅用 GaN 代替硅來獲得更好的系統(tǒng)；相反，他們不得不重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，以利用 GaN 提高的性能。?

“今天，我們正在進(jìn)入第 4 階段，我們需要專注于 GaN 的降價(jià)、供應(yīng)安全和大規(guī)模制造，以支持所有這些即將出現(xiàn)的新應(yīng)用，”Marcon 說。?

如圖 1所示，Innoscience 實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果的方法是使用配備高通量硅制造工藝的大型制造能力。Innoscience 計(jì)劃中的第二個(gè)要素是通過使用更大的晶圓尺寸（從 6 英寸到 8 英寸）來增加每個(gè)晶圓的好管芯數(shù)量，降低特定導(dǎo)通電阻 (R DS( on) )（這意味著更小的設(shè)備），最后增加了每個(gè)晶圓的好管芯數(shù)量（良率）。?

圖 1：Innoscience 的 GaN 量產(chǎn)和降價(jià)方法?

“我們位于珠海的初始晶圓廠已通過汽車認(rèn)證，并且已經(jīng)配備了 4k wpm [每月晶圓]，”Marcon 說。“我們在蘇州建立了第二家晶圓廠，比珠海大 16 倍。今天，它配備了 6k wpm，但在工廠完成后，它將提供 65k wpm。我們所有的晶圓廠都使用硅制造線，以利用長期以來優(yōu)化硅制造工藝的進(jìn)步歷史?！?

關(guān)于 GaN FET 本身，Innoscience 已經(jīng)能夠降低特定的 R DS( on)，引入了公司所謂的“應(yīng)力增強(qiáng)層”，該層在柵極形成后沉積。通過這樣做，Innoscience 能夠增加 2D 電子氣 (2DEG) 密度，從而降低 2DEG 電阻，而不會影響其他參數(shù)，例如閾值電壓或泄漏。圖 2顯示了參考 GaN（HEMT-A，黑色）和具有應(yīng)力增強(qiáng)層（HEMT-B，藍(lán)色）的 Innoscience GaN 器件的閾值電壓幾乎相同，而導(dǎo)通電阻為第二個(gè)設(shè)備顯著減少。?

圖 2：通過加入應(yīng)力增強(qiáng)層來降低導(dǎo)通電阻?

Innoscience還進(jìn)行了大量工作，以優(yōu)化外延和器件處理的產(chǎn)量。RDS（on）已被證明均勻分布在整個(gè)晶圓上的10000多個(gè)設(shè)備上。同樣的行為也適用于非穩(wěn)態(tài)泄漏特性，該特性具有非常平坦的曲線，在晶片邊緣只有很小的偏差。這兩個(gè)參數(shù)都表現(xiàn)出良好的晶片間再現(xiàn)性。

在應(yīng)用方面，Innoscience最大的成功之一是USB電力傳輸（PD）充電器，迄今已售出3000多萬臺設(shè)備。InnoGaN技術(shù)允許設(shè)計(jì)者在更小的尺寸內(nèi)提供更多的功率，提高功率密度。與硅基解決方案相比，45 W GaN基局部放電充電器的效率為95.1%，損耗為2.5 W，硅基解決方案的效率約為88%，損耗為6.1 W。InnoGaN器件的頻率比硅高10倍，功率密度比硅高4倍，能效比硅高50%。

另一個(gè)相關(guān)應(yīng)用是數(shù)據(jù)中心。圖3顯示了提供數(shù)據(jù)中心所需電壓水平所需的步驟。第一級是交流/直流轉(zhuǎn)換器，基本上將輸入277 VAC轉(zhuǎn)換為48 VDC，標(biāo)稱功率為3 kW。在移動到48伏之后，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以將48伏直流電降低到12伏直流電或5伏直流電，在這里，我們討論的是一個(gè)300到600瓦的轉(zhuǎn)換器。然后是最后一步，從12 VDC或5 VDC下降到1 VDC。在所有這些轉(zhuǎn)換階段，氮化鎵允許您縮小轉(zhuǎn)換器的尺寸并提高其效率。

圖3：中心中涉及的功率轉(zhuǎn)換階段

“有了氮化鎵，在最大輸出電流下，我們能夠減少10%的功率損耗，”Marcon說?！斑@意味著，運(yùn)行該數(shù)據(jù)中心的能源費(fèi)用將減少10%。從長遠(yuǎn)來看，這意味著，只要采用這種架構(gòu)，到2030年，你就可以節(jié)省100太瓦時(shí)的能源。這相當(dāng)于20座核反應(yīng)堆?！?/p>

如前所述，Innoscience 的晶圓廠已經(jīng)獲得了汽車零部件生產(chǎn)的認(rèn)證，并且 Innoscience 已經(jīng)在與汽車客戶合作，以便在今年準(zhǔn)備好符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。汽車 GaN 應(yīng)用包括 DC/DC 高壓轉(zhuǎn)換器 (650 V/950 V)、DC/DC 48-V/12-V 轉(zhuǎn)換器、車載充電器和激光雷達(dá)。與傳統(tǒng)的 100-V 硅 MOSFET 相比，100-V InnoGaN 器件的開啟速度快 13 倍，脈沖寬度窄 15 倍。這允許設(shè)計(jì)人員將兩個(gè)設(shè)備放在同一個(gè)芯片上，每個(gè)設(shè)備獨(dú)立驅(qū)動一個(gè)激光器，從而產(chǎn)生更便宜、更小、更簡單的 LiDAR 解決方案。?

“由于我們針對大規(guī)模制造和使用高通量硅制造設(shè)施而優(yōu)化的 GaN 技術(shù)，我們正在準(zhǔn)確地滿足市場需求，我們的目標(biāo)是讓 GaN 技術(shù)在盡可能多的應(yīng)用中無處不在，”Marcon 總結(jié)道。?

審核編輯 黃昊宇

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