GaN技術：電子領域的下一波浪潮

在電子領域，尤其是功率電子領域，一項前沿技術正逐漸嶄露頭角：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，他們認為在汽車、消費電子和航空航天等領域，特別是在功率轉換等應用中，GaN 技術正迎來廣泛應用的機會。

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構。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150毫米或更大）上生產，還可以擴展到更大的晶圓尺寸，而且可以輕松集成到現(xiàn)有的生產線中?！?/span>

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

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、減小功率轉換器尺寸和重量。

另一方面，瑞典公司Hexagem的首席執(zhí)行官Mikael Bj?rk介紹了他們正在開發(fā)的硅基GaN技術，旨在在成本上更具競爭力，同時在未來應用中實現(xiàn)規(guī)模優(yōu)勢。Bj?rk表示：“我們想辦法使GaN達到更高的額定電壓?！?/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技術都在性能方面穩(wěn)步取得進展，這些進展有可能超越硅技術目前的成本優(yōu)勢。支持者認為，這些進展是因為在硅技術上的漸進改進已經(jīng)無法滿足新一代電子器件的需求。

應用領域廣泛

隨著全球對減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換和電氣化。硅基功率半導體技術，如IGBT，存在著工作頻率和速度上的基本限制，同時在高溫和低電流性能方面表現(xiàn)不佳。高壓硅場效應管（Si FET）的頻率和高溫性能同樣受到限制。

這些局限性促使應用設計人員考慮采用寬帶隙半導體材料，如GaN。

Kubos Semiconductor的O'Brien表示：“隨著設計尺寸的減小和效率的提高，我認為GaN有望在以前未被廣泛采用的應用中嶄露頭角，例如小型基站。對于較小的系統(tǒng)設計來說，這是一個真正的機會。”

其中一個關鍵特性是GaN的開關頻率響應，特別是在高達5-10千瓦的DC/DC轉換器應用中。Ricardo公司的Rodriguez補充道：“這標志著電信和能源領域的標志，同時還可以考慮在消費電子產品中應用。有許多以DC/DC轉換器為核心的應用，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還強調晶圓尺寸的縮小，同時優(yōu)化GaN器件的生產以降低成本。Bj?rk預測：“目前市場定位為150毫米晶圓，但未來可能擴大到200毫米晶圓，甚至可能嘗試300毫米晶圓?！?/span>

然而，值得注意的是，雖然硅基GaN技術是目前應用最廣泛的GaN技術之一，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，您必須生長出相當先進的不同層堆疊。當你按這個要求做時，就會產生很多缺陷和過早破損的晶圓。另一個問題是GaN和硅之間的熱膨脹不匹配，當你將其加熱到大約1000°C時，當你冷卻這兩種材料時，它們會以不同的速率收縮，最終可能會破壞結構?！?/span>

不過，Nexperia的GaN應用總監(jiān)Jim Honea指出，從車載充電器、DC/DC轉換器到牽引和輔助逆變器等汽車應用都在利用GaN技術。霍尼亞說：“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用。”

此外，Nexperia的Dilder Chowdhury指出，低Qrr或反向恢復電荷有助于簡化濾波器設計，從而提高開關性能。GaN功率晶體管還可以與常見的柵極驅動電路并聯(lián)使用。然而，高電壓和高開關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提高效率的方法備受關注。GaN可用于設計比硅基系統(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。此外，零反向恢復電荷可以減少電池充電器和牽引逆變器的開關損耗，同時還帶來更高的開關頻率和更快的開關速率等優(yōu)點。

支持者還聲稱，寬帶隙半導體技術為電源轉換設計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技術正在電力電子領域嶄露頭角，受到了廣泛的關注和投資。這一前沿技術在汽車、消費電子和航空航天等領域，特別是在功率轉換應用中，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換和電氣化，為未來的電子器件設計師提供了全新的可能性。