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
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