寬帶隙半導(dǎo)體提高新型功率器件的效率

效率是所有工業(yè)部門的驅(qū)動(dòng)力，包括消費(fèi)部門。在電子系統(tǒng)中，效率會(huì)導(dǎo)致性能限制以及使用壽命縮短。然而，更高的效率推動(dòng)行業(yè)朝著更高的功率密度發(fā)展，并有可能擁有更小、更輕、更可靠的產(chǎn)品，同時(shí)消除性能限制并在數(shù)據(jù)中心和汽車系統(tǒng)中提供更高的功率水平。

隨著連接設(shè)備的數(shù)量每天都在增加，更高效的電源轉(zhuǎn)換可以在一定程度上降低為這些數(shù)十億設(shè)備供電的總體財(cái)務(wù)成本。由于涉及的數(shù)量龐大，最近提高整體效率以降低環(huán)境成本變得同樣重要。

必須限制損耗，這反過來又會(huì)限制系統(tǒng)的效率，通常會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的散熱。這種損耗在功率轉(zhuǎn)換中很普遍，而熱量是半導(dǎo)體器件的一個(gè)特殊敵人。從電子設(shè)備中去除不需要的熱量的成本是不受歡迎的，而且對(duì)環(huán)境有害。這推動(dòng)了更高效半導(dǎo)體器件的研發(fā)，以提高功率轉(zhuǎn)換效率、提高功率密度并減少能源管理對(duì)整體財(cái)務(wù)和環(huán)境的影響。

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體

功率半導(dǎo)體歷來基于硅襯底，而硅是一種出色的通用半導(dǎo)體，在處理高電壓時(shí)具有充分證明的局限性。市場(chǎng)正在繼續(xù)尋求更多功率的競(jìng)賽，并且該行業(yè)總體上正在遠(yuǎn)離硅，轉(zhuǎn)而支持更適合功率的半導(dǎo)體材料。這些材料被歸類為寬帶隙材料，指的是它們?cè)谖锢砩吓c晶體材料（如硅）不同。這些差異代表了幾個(gè)基本特征，其中之一是它們能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，同時(shí)將損耗保持在淺且可管理的水平。

晶體管是微電子行業(yè)的基石。底物決定了它們的行為，因此定義了特性和功能。三極管本質(zhì)上是一個(gè)壓控開關(guān)，需要的功率越大，尺寸越大。這可以通過使用 WBG 材料來補(bǔ)償。WBG 晶圓的供應(yīng)鏈仍在優(yōu)化中，并不像已經(jīng)存在的硅晶圓龐大的基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈那樣成熟。為了克服提高效率的障礙/障礙，該行業(yè)正在大力開發(fā)新基板，同時(shí)繼續(xù)利用硅帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

由碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等創(chuàng)新半導(dǎo)體制成的新型晶體管目前非常需要用于為汽車行業(yè)和替代能源構(gòu)建電力系統(tǒng)。

GaN 技術(shù)的兩種變體是硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 和碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC)。GaN-on-SiC 為太空和軍事雷達(dá)應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)。今天，RF 工程師正在尋找新的應(yīng)用和解決方案來利用 GaN-on-SiC。?

GaN-on-silicon 支持低成本、大直徑襯底的生長(zhǎng)，并且更容易使用大批量 Si 晶圓廠進(jìn)行器件生產(chǎn)。

氮化鎵以 HEMT（高電子遷移率晶體管）外延晶體管的形式存在于各種襯底材料上，是用于射頻、微波和毫米波領(lǐng)域高性能器件的最新和最有前途的半導(dǎo)體技術(shù)。這對(duì)于基于 GaN-on-Silicon 和基于 GaN-on-SiC 的器件尤其如此，它們既具有尖端的高頻功能，又能夠在大晶圓直徑 CMOS 代工廠中進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

GaN-on-Si 功率晶體管比傳統(tǒng)的硅功率晶體管更能提供高效率，部分原因是轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜图夹g(shù)需求。具有零反向恢復(fù)電荷的 GaN 使其可用于以前未考慮用于電源的拓?fù)?。正是這種最近啟用的拓?fù)渑c新的 GaN 技術(shù)相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)新的功率性能水平。峰值電流與反向恢復(fù)電荷有關(guān)，它在硅功率晶體管中可能非常大，以至于它不能用于具有重復(fù)反向恢復(fù)的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，包括半橋拓?fù)洹?/p>

基板的優(yōu)勢(shì)允許通過提供良好的集成來降低成本。可以在單個(gè)基板上集成 LNA（低噪聲放大器）、開關(guān)、PA（功率放大器）；GaN-on-Si 確實(shí)引起了很大的興趣。集成固然有其優(yōu)勢(shì)，但首先需要的是需要應(yīng)用的大功率、高連接性的終端連接。在這些情況下，GaN-on-SiC 證明了其有效性（圖 1）。

圖 1：GaN 市場(chǎng)演變 [來源：Yolè Developpment]

參數(shù)

雖然硅半導(dǎo)體多年來仍將是主流解決方案，但在某些應(yīng)用中客戶可以利用 WBG 半導(dǎo)體的特性，包括改進(jìn)的帶隙 (eV)、擊穿場(chǎng) (MV/cm)、熱導(dǎo)率 (W / cm-K)、電子遷移率 (cm2 / Vs) 和電子漂移速度。在不涉及半導(dǎo)體物理細(xì)節(jié)的情況下，可以說這些改進(jìn)的參數(shù)使 WBG 半導(dǎo)體適用于高電壓、高開關(guān)頻率應(yīng)用，同時(shí)提高了功率密度和散熱。

WBG 半導(dǎo)體功率開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)包括高電流密度、更快的開關(guān)和更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS (on))。從最終客戶的角度來看，這些設(shè)備性能改進(jìn)帶來了顯著的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，客戶可以實(shí)現(xiàn)高溫運(yùn)行，同時(shí)降低整體系統(tǒng)尺寸和重量。

消費(fèi)市場(chǎng)趨勢(shì)

至于GaN在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的擴(kuò)展，無線充電是最熱門的領(lǐng)域之一。隨著無線充電成為手機(jī)越來越普遍的趨勢(shì)，GaN 也使工業(yè)客戶能夠利用該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在高頻下，GaN 比硅表現(xiàn)出最明顯的優(yōu)勢(shì)。硅用于低功率應(yīng)用，但隨著應(yīng)用要求擴(kuò)展到幾十瓦甚至千瓦，效率變得更加重要。更高的開關(guān)頻率不僅可以提高效率，還可以為客戶提供更多優(yōu)勢(shì)。

我們目前在消費(fèi)市場(chǎng)看到的一個(gè)趨勢(shì)是對(duì)移動(dòng)電話的新功能和性能的強(qiáng)烈需求。高速數(shù)據(jù)傳輸、更大質(zhì)量的屏幕、人臉感應(yīng)功能以及下一個(gè) 5G 將很快需要新的電源管理解決方案。所有這些功能都需要更高性能或更大的電池。更大的電池意味著更長(zhǎng)的充電時(shí)間。除了確定便攜式設(shè)備的正確尺寸外，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了新的充電解決方案，以便它們可以快速為手機(jī)充電。

當(dāng)前的電池單元至少需要兩個(gè)小時(shí)才能充滿電。降低這個(gè)時(shí)間的需求導(dǎo)致了新的電源解決方案進(jìn)入市場(chǎng)，從最初的 15 瓦到那些功率更大達(dá)到 100 瓦的解決方案。

與其他硅解決方案相比，氮化鎵是一種通過提供更小尺寸的器件來提供更高效率的材料。與其他解決方案相比，它使我們能夠獲得更高的功率，因此可以在更短的時(shí)間內(nèi)為設(shè)備充電。

“去年在 2019 年，”Yole Développement (Yole) 技術(shù)與市場(chǎng)分析師 Ezgi Dogmus 說，“OPPO 是中國(guó) OEM 在其快速充電器中使用氮化鎵器件的第一個(gè)例子。從那一刻起，我們?cè)谶@個(gè)市場(chǎng)上看到了越來越多的吸引力?！?/p>

” 小米是中國(guó)有影響力的OEM，最近推出了基于GaN的快速充電器。對(duì)于主要的原始設(shè)備制造商，三星已經(jīng)在其附件快速充電器中加入了 GaN 設(shè)備，據(jù)我們所知，它很快就會(huì)集成到其內(nèi)置充電器中。也有一些關(guān)于在蘋果和華為的下一代快速充電器中采用 GaN 的傳言，但我們認(rèn)為我們將能夠在接下來的幾個(gè)季度隨著官方公告有更清晰的想法，但我們可以說鎵的吸引力非常大氮化物，”Ezgi Dogmus 說。

硅仍然非?；钴S，尤其是在 30 W 以下。技術(shù)正朝著氮化鎵發(fā)展。在 30 到 100 W 之間的領(lǐng)域，我們?nèi)匀挥泄杞鉀Q方案，但氮化鎵非常有競(jìng)爭(zhēng)力，提供高效率和快速充電時(shí)間。它能夠支持良好的熱管理和良好的設(shè)計(jì)?！霸荚O(shè)備制造商還想要一個(gè)小巧、快速的充電器。他們不希望手機(jī)帶有大充電器，因?yàn)檫@不利于設(shè)備的美觀。使用氮化鎵，他們可以做到這一點(diǎn)，但使用硅，問題在于它可能非常大，”Ezgi Dogmus 說。

許多中國(guó)公司也在充電器中使用氮化鎵?？焖俪潆娛且粋€(gè)真正的趨勢(shì)，大型 OEM 將采用它，而 GaN 成本將繼續(xù)下降。Yole 估計(jì)三星和蘋果的采用率也很高。三星已經(jīng)通過電源集成擁有其 45 W 氮化鎵充電器。GAN 肯定會(huì)進(jìn)入智能手機(jī)市場(chǎng)，該市場(chǎng)比任何其他消費(fèi)市場(chǎng)都大得多，因此，當(dāng)價(jià)格下降時(shí)，它將對(duì)其采用有很大幫助。

“據(jù)我們所知，Power Integrations 是 GAN 制造商之一。Power Integrations 已公開宣布他們將為三星即將推出的充電器提供 IC 解決方案”，Ezgi Dogmus 說。

圖 2：GaN 快速充電趨勢(shì) [來源：Yolè Developpment]

“所有原始設(shè)備制造商都在尋求這些 GaN 產(chǎn)品的市場(chǎng)接受度和進(jìn)一步降低成本。在此背景下，2020 年和 2021 年將是 GaN 基功率器件的關(guān)鍵年份。”埃茲吉·多格姆斯說。

圖 3：2018-2024 年由大功率快速充電應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的功率 GaN 器件市場(chǎng) [來源：Yolè Developpment]

集成是最小化延遲和消除寄生電感的關(guān)鍵，這些寄生電感限制了 Si 和早期分立 GaN 電路的開關(guān)速度。憑借低至 5 ns 的傳播延遲和高達(dá) 200 V / ns 的穩(wěn)健 dV / dt，傳統(tǒng)的 65-100 kHz 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以加速至 MHz 甚至更高。這些集成電路在 MHz 量級(jí)的頻率上擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な?、半橋式、諧振式等）的功能，從而允許革命性項(xiàng)目的商業(yè)引入（圖 2-5）。

圖 4：功率與頻率 [來源：Yolè Developpment]

汽車

最有趣和增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一是電動(dòng)汽車 (EV) 車外充電，其中包括快速充電器和充電站市場(chǎng)。碳化硅確實(shí)可以為該應(yīng)用增加價(jià)值。

圖 5：功率 GaN 市場(chǎng) [來源：Yolè Developpment]

碳化硅和氮化鎵最賺錢的兩個(gè)應(yīng)用是電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車（EV 和 HEV）。它們?cè)诟叩碾妷汉蜏囟认逻\(yùn)行，更堅(jiān)固耐用，使用壽命更長(zhǎng)，并且比傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度快得多。碳化硅正被用于多種應(yīng)用，尤其是電動(dòng)汽車，以應(yīng)對(duì)開發(fā)高效和大功率設(shè)備時(shí)面臨的能源和成本挑戰(zhàn)。

碳化硅在特斯拉逆變器中具有強(qiáng)大的吸引力，因此也適用于電動(dòng)汽車中的所有高壓解決方案。在這個(gè)市場(chǎng)上，我們可以看到碳化硅和氮化鎵在車載充電器應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)，說哪個(gè)最好是不公平的，因?yàn)檫x擇取決于 OEM 在成本和性能方面采用的策略。

“幾乎所有原始設(shè)備制造商都在關(guān)注碳化硅和氮化鎵；沒有人真正排除任何一種。這是一個(gè)成本問題，也是一個(gè)資格問題，所以也許可以說碳化硅更先進(jìn)一些，因?yàn)樗呀?jīng)獲得了汽車行業(yè)的資格，并且已經(jīng)開始用于汽車領(lǐng)域的主逆變器和車載充電器應(yīng)用。特斯拉和比亞迪等原始設(shè)備制造商的幾種車型?！盓zgi Dogmus 說。

GaN 也符合汽車行業(yè)的要求，EPC 或 Transform 等公司已經(jīng)擁有適用于汽車行業(yè)、低壓和高壓 EV-HEV 應(yīng)用的合格產(chǎn)品。Nexperia 等其他公司正在通過新的解決方案投資市場(chǎng)。?

“我認(rèn)為在未來一年我們會(huì)看到越來越多的氮化鎵合格，它可以在成本和性能方面與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)，”Ezgi Dogmus 說。

最大的挑戰(zhàn)是由于較高的制造工藝成本和缺乏批量生產(chǎn)而廣泛采用 SiC/GaN 器件。大規(guī)模生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，需要穩(wěn)健且深思熟慮的制造工藝。這包括晶圓測(cè)試，這需要測(cè)試在更高電流和電壓范圍內(nèi)工作的較小設(shè)備。+

審核編輯 黃昊宇