氮化镓（GaN）：新一代功率半导体材料“新宠”

当前，正值各大手机品牌新品发售期。面对琳琅满目的新款手机，除了硬件配置之外，续航能力也一直是消费者最为重视的指标之一。为解决现代人对手机续航的焦虑，部分厂商转而通过推出高效快充的氮化镓充电器，帮助消费者实现“电量自由”。作为行业“新宠”，氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG）材料正逐渐成为新一代功率半导体核心材料。

消费类充电器、数据中心、5G和电动汽车等应用是功率器件主要的增长市场，它们对器件有着相同的需求：

• 更小的尺寸
• 更大的功率
• 更低的损耗

化合物半导体材料氮化镓可满足所有这些需求。与硅相比，氮化镓有着更出色的开关性能，即使在较高的温度下也能更稳定的工作。正因这些特点，使工程师能够制造更紧凑、更快速、更可靠的器件。

功率需求

1、智能手机
如今，智能手机需要更大的功率、更快的速度，来运行更多的应用程序。目前，手机的电池续航几乎无法维持一天，同时标准的5瓦充电器充电速度较慢。智能手机生产商开始意识到消费者对快速充电的需求，并准备推出新一代的大功率充电器，以大幅缩短充电时间。使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管（HEMT）可将充电器的尺寸缩小一半，同时将功率提高3倍，运行速度是硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管（SJMOSRET）的20倍。

2、数据中心
随着云计算、移动出行、物联网、机器学习等的发展，对大数据存储与计算处理的需求也大幅增加。目前，全球有700多万个数据中心在运行，耗电量相当于2019年全球用电量的2%。其中，大约30%的电力用于设施的冷却。因此，通过提高服务器效率、减少功率和热量损耗，便能节省大量能源，降低电力成本和二氧化碳排放量。

服务器电源由一个功率因数校正（PFC）级（例如：推挽电路）和一个谐振DC-DC级（LLC谐振转换器）组成。输出电压通常为12伏；不过由于高功率 CPU和专用GPU耗电更高，因此目前的趋势是向48伏电源发展。此外，更高的电压可将输电线路上的功耗最高减少到原来的十六分之一。氮化镓技术可以让转换器的每一级都受益（图1）。对于功率因数校正级，其低电容和零反向恢复可以允许配置一个简单的推挽电路；对于LLC转换器级，更快的开关速度和较少损耗，令磁体和电容都可以缩小。更精准的同步整流因为停滞时间缩减，从而让氮化镓达到减少功率消耗的效果。

图1 //与现有的MOSFET设计相比，氮化镓晶体管可以大幅提高服务器主板的功率密度（资料来源：GaN Systems，2020）

3、电动汽车车载充电器

电动汽车的迅猛发展，导致市场对充电速度和充电效率的需求也在增加。举例而言：

• 1996年，通用汽车公司发布了EV1电动汽车，采用16.5千瓦铅酸电池。该车的续航里程为70-90英里，充满电需要7.5小时。
• 如今，特斯拉Model 3配备的是80千瓦锂离子电池，续航里程为310英里，使用特斯拉的V3超级充电桩，充满电只需35分钟。

新一代车载充电器正在使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管（HEMT）取代目前的硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管（SJMOSFET）。前者开关频率更高，可缩小车载充电器磁体、电容器和散热片的尺寸。从而令整个车载充电器的尺寸和重量减少30—40%，能效可接近97%。

不断增长的氮化镓市场

以往，氮化镓电源市场主要是在小众应用领域。但在去年，采用氮化镓技术的智能手机快速充电器（>28瓦）已经问世。更小的尺寸、更高的效率和性价比，使其在手机以及笔记本电脑应用中备受青睐。我们看到，氮化镓技术已加速在便携电源适配器中的使用，一旦该技术在这一领域获得成功，预计将会在更高功率、更为关键的领域得到广泛应用，例如：汽车和数据中心市场（图2）。

图2 //氮化镓在电动汽车领域的应用取决于市场对其可靠性的信赖；氮化镓的市场化应用从消费类充电器的发展开始，并需要在大规模量产中持续进行工艺改进。（资料来源：© 2019 IHS Markit）

然而，硅材料尚未过时。SJMOSFET在市场上占据主导地位，仍是上述领域的首选技术。一方面，硅技术已非常成熟和可靠，且还将进一步发展。另一方面，设计师们在此类器件上积攒了多年经验。综上，不同的技术对应不同的细分市场，具体取决于系统的复杂程度。

如今，氮化镓正与用于开关电源的SJMOSFET、不间断电源的高速绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电信领域的中压MOSFET以及用于服务器负载点稳压器和同步整流的低压MOSFET竞争。由于这些市场对价格极其敏感，氮化镓预计将首先在高端领域推出（图3）。

图3 //氮化镓适用于高频电源，而碳化硅则适用于要求更高功率和鲁棒性的应用，例如：电机驱动和工业电源。随着宽禁带器件在市场上的地位越来越稳固，在技术采用上将变得更加明确（资料来源 ：Yole Développement）

氮化镓器件制造考虑因素

制造氮化镓 HEMT 所涉及的每一道工序都必须非常精确，才能获得最佳的器件性能和可靠性。宽禁带器件的快速开关、高功率密度和高电压击穿，对外延层和电介质沉积的质量要求极高。概括来讲，氮化镓器件制备时需考虑包括：

• 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 刻蚀
• 化学气相沉积（CVD）
• 物理气相沉积（PVD）和电镀

结论

对能源和高能效需求的增加，令人们对氮化镓产生越来越大的兴趣。作为第三代半导体材料，氮化镓被视为硅基半导体的替代材料。然而，制造氮化镓器件的每一道工序都必须非常精准。尽管如此，氮化镓已在便携电源适配器应用占据一席之地，一旦该技术的可靠性得到确切验证，其在汽车和数据中心的应用有望随之而来。

*文章原载于NANOCHIP 2020年夏季刊，此篇内容为原文章的中文节选，仅供参考。

作者简介

Llewellyn Vaughan-Edmunds
应用材料公司
电源技术战略营销总监

来源：应用材料公司