氮化鎵的創(chuàng)新方向

公眾號(hào)記得加星標(biāo)??，第一時(shí)間看推送不會(huì)錯(cuò)過(guò)。

近年來(lái)，電力電子行業(yè)對(duì)氮化鎵（GaN）晶體管的興趣大幅增長(zhǎng)。

在電力電子應(yīng)用中，電能需要從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式——例如，交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)（反之亦然），或者直流電從低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓（反之亦然）。氮化鎵 (GaN) 具備所有必要的特性，能夠在寬廣的輸出功率范圍和/或高頻條件下高效轉(zhuǎn)換電能。

首先，GaN是一種寬帶隙材料（3.2 eV），具有較高的擊穿臨界電場(chǎng)。其次，GaN/AlGaN材料體系是GaN晶體管結(jié)構(gòu)的核心，具有高電子遷移率。這是由于在GaN/AlGaN界面處形成了二維電子氣，從而形成低電阻導(dǎo)電溝道。

這些材料特性的結(jié)合使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)降低器件寄生參數(shù)和開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗。這轉(zhuǎn)化為高功率轉(zhuǎn)換效率，即輸出功率與輸入功率之比。在這一指標(biāo)上，GaN基器件優(yōu)于傳統(tǒng)的Si基功率晶體管（包括成熟的Si MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)），尤其是在需要寬范圍輸出功率和/或高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。

高開(kāi)關(guān)速度還帶來(lái)一項(xiàng)額外好處：變壓器、電感器和電容器等無(wú)源元件（電源傳輸和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件）可以做得更小更輕。這有利于降低（環(huán)境）足跡、成本和提高 整個(gè)電力電子系統(tǒng)的可靠性。

基于氮化鎵的晶體管：優(yōu)異的功率轉(zhuǎn)換效率、高開(kāi)關(guān)速度、緊湊的電路設(shè)計(jì)

近年來(lái)，電力電子行業(yè)對(duì)氮化鎵（GaN）晶體管的興趣大幅增長(zhǎng)。

在電力電子應(yīng)用中，電能需要從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式——例如，交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)（反之亦然），或者直流電從低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓（反之亦然）。氮化鎵 (GaN) 具備所有必要的特性，能夠在寬廣的輸出功率范圍和/或高頻條件下高效轉(zhuǎn)換電能。

首先，GaN是一種寬帶隙材料（3.2 eV），具有較高的擊穿臨界電場(chǎng)。其次，GaN/AlGaN材料體系是GaN晶體管結(jié)構(gòu)的核心，具有高電子遷移率。這是由于在GaN/AlGaN界面處形成了二維電子氣，從而形成低電阻導(dǎo)電溝道。

這些材料特性的結(jié)合使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)降低器件寄生參數(shù)和開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗。這轉(zhuǎn)化為高功率轉(zhuǎn)換效率，即輸出功率與輸入功率之比。在這一指標(biāo)上，GaN基器件優(yōu)于傳統(tǒng)的Si基功率晶體管（包括成熟的Si MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)），尤其是在需要寬范圍輸出功率和/或高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。

高開(kāi)關(guān)速度還帶來(lái)一項(xiàng)額外好處：變壓器、電感器和電容器等無(wú)源元件（電源傳輸和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件）可以做得更小更輕。這有利于降低（環(huán)境）足跡、成本和提高 整個(gè)電力電子系統(tǒng)的可靠性。

基于氮化鎵的快速充電器進(jìn)入量產(chǎn)階段

氮化鎵（GaN）大規(guī)模量產(chǎn)的突破出現(xiàn)在2023年左右，當(dāng)時(shí)基于氮化鎵的快速電池充電器被推向市場(chǎng)。“采用氮化鎵技術(shù)”也因此成為這些應(yīng)用領(lǐng)域的品牌。

氮化鎵在這些應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)普及被認(rèn)為是進(jìn)一步拓展市場(chǎng)的墊腳石。與硅基系統(tǒng)相比，該技術(shù)有望催生新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品尺寸更小、重量更輕、能效更高。

例如，車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等汽車應(yīng)用就采用了氮化鎵晶體管。氮化鎵晶體管在儲(chǔ)能系統(tǒng)和家用太陽(yáng)能逆變器中也發(fā)揮著重要作用，在持續(xù)增長(zhǎng)的光伏市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地。它們還有望用于電信和數(shù)據(jù)服務(wù)器的電源，以及人工智能數(shù)據(jù)中心。

氮化鎵技術(shù)或許還能進(jìn)軍機(jī)器人市場(chǎng)，用于制造高頻率的緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。再比如冰箱和洗衣機(jī)等家用電器，能效標(biāo)簽往往是消費(fèi)者做出購(gòu)買決定的關(guān)鍵因素。

氮化鎵是高功率應(yīng)用的首選材料，因?yàn)槠渚w管擊穿臨界電壓比硅高約10倍。此外，對(duì)于低功率應(yīng)用（20V至100V），氮化鎵也優(yōu)于硅，因?yàn)樗哂懈叩拈_(kāi)關(guān)速度和更緊湊的尺寸，這有利于多種應(yīng)用。

它為小型高效的48V DC/DC 轉(zhuǎn)換器和12V 負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器鋪平了道路，這些轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于許多電子系統(tǒng)中。例如，智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦都包含多個(gè)工作電壓不同的設(shè)備。移動(dòng)系統(tǒng)不僅需要 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)為電池充電并將 12V 電壓分配到整個(gè) PCB 板上，還需要 PoL 轉(zhuǎn)換器，將電壓進(jìn)一步降壓至 1V 以下，并將其單獨(dú)輸送到每個(gè)靠近負(fù)載的設(shè)備。

氮化鎵（GaN）技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一是各行業(yè)對(duì)脫碳和提高能源效率的需求。目前，氮化鎵技術(shù)正在加速量產(chǎn)，多家半導(dǎo)體公司已取得突破性進(jìn)展。

但成功也取決于能否建立一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，并共同推動(dòng)從氮化鎵生長(zhǎng)到封裝解決方案的創(chuàng)新。正如CMOS一樣，開(kāi)發(fā)氮化鎵功率電子器件需要設(shè)計(jì)、外延、工藝集成和應(yīng)用之間的緊密結(jié)合。

橫向HEMT器件、雙向開(kāi)關(guān)、垂直GaN FET等等：種類繁多的GaN基器件

目前，GaN 研發(fā)工作主要集中在三種類型的器件上：橫向高電子遷移率晶體管 (HEMT)、雙向開(kāi)關(guān)和垂直 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。

一、橫向HEMT：電力轉(zhuǎn)換器行業(yè)的主力軍

目前市面上幾乎所有GaN功率晶體管都采用橫向AlGaN/GaN基HEMT結(jié)構(gòu)。在這種橫向結(jié)構(gòu)中，晶體管的三個(gè)引腳（源極、柵極和漏極）位于同一平面表面。得益于自然界的巧妙設(shè)計(jì)，AlGaN/GaN界面處的二維電子溝道無(wú)需外部柵極偏置即可自發(fā)形成。

這意味著該器件通常處于導(dǎo)通狀態(tài)，需要施加負(fù)柵極偏置才能耗盡溝道并使其關(guān)斷：它是一種耗盡型或D型器件。D型器件是高功率和高電壓應(yīng)用的首選。例如，車載充電器，其導(dǎo)通溝道的低導(dǎo)通電阻是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

然而，大多數(shù)嵌入式電力電子系統(tǒng)為了確保故障安全運(yùn)行，需要常關(guān)型（增強(qiáng)模式或e模式）器件。因此，必須對(duì)HEMT器件架構(gòu)進(jìn)行修改以支持e模式運(yùn)行。最常用的方法是在柵電極下方添加一層p型摻雜的GaN層。

E 型功率器件也可以采用所謂的級(jí)聯(lián) D 型 HEMT 配置，其中 D 型 HEMT 與基于硅的低壓功率器件組合在一起。HEMT 能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓運(yùn)行，而基于硅的功率器件則確保故障安全運(yùn)行。

橫向 p-GaN HEMT 的巨大潛力激勵(lì)著研究人員進(jìn)一步提升其性能和功能。

二、雙向開(kāi)關(guān)：可用于電池保護(hù)和交流/交流轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)上，橫向p型GaN HEMT用于AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過(guò)改進(jìn)其器件結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)雙向開(kāi)關(guān)，從而在兩種極性下都能導(dǎo)通電流并阻斷電壓。例如，在電池保護(hù)電路和矩陣轉(zhuǎn)換器（無(wú)需直流鏈路的高效AC/AC轉(zhuǎn)換器）中，就需要這種開(kāi)關(guān)。

在傳統(tǒng)的硅器件實(shí)現(xiàn)中，雙向開(kāi)關(guān)是通過(guò)將兩個(gè)分立的單向MOSFET或IGBT以反并聯(lián)或反串聯(lián)的方式連接而成的。GaN HEMT技術(shù)通過(guò)在傳統(tǒng)HEMT結(jié)構(gòu)中添加第二個(gè)柵極，提供了一種更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法。

三、垂直氮化鎵器件：適用于650V以上電壓的替代方案

將 650V p-GaN HEMT 的電壓提升至 650V 以上會(huì)帶來(lái)雙重功耗增加：為了提高擊穿電壓和增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性，柵極到漏極的距離需要增加，但這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加導(dǎo)通電阻。因此，在相同的導(dǎo)通電阻下，HEMT 的功耗會(huì)隨著電壓的升高呈二次方增長(zhǎng)。

垂直GaN基MOSFET器件正被探索作為一種適用于650V以上工作電壓的替代器件架構(gòu)。在垂直GaN器件中，源極和柵極位于器件表面，而漏極則位于外延堆疊層的底部。因此，電場(chǎng)可以垂直分布在整個(gè)材料堆疊層中。

近年來(lái)，多通道氮化鎵（GaN）器件取得了顯著進(jìn)展，其優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)CMOS邏輯應(yīng)用中的環(huán)柵器件類似：在更小的尺寸下實(shí)現(xiàn)更高的電流密度，同時(shí)保持較低的關(guān)斷電流和串聯(lián)電阻。氮化鎵 是一項(xiàng)相對(duì)年輕的技術(shù)，器件開(kāi)發(fā)仍有很大的空間。

未來(lái)幾年，我們期待許多創(chuàng)新技術(shù)能夠服務(wù)于下一代電力電子設(shè)備。其中，p溝道GaN HEMT的短缺成為了業(yè)界的變通方案

長(zhǎng)期以來(lái)，GaN 研究人員一直關(guān)注一個(gè)主要問(wèn)題：目前還沒(méi)有性能達(dá)到可接受水平的p 溝道 GaN器件。

CMOS 設(shè)計(jì)采用 n 溝道和 p 溝道器件的組合，以確保邏輯運(yùn)算的最佳性能。但在 GaN 中，空穴的遷移率比電子低約 60 倍。這意味著以空穴為主要載流子的p 溝道器件的尺寸將是n 溝道器件的60 倍。

這種n溝道和p溝道器件的“非對(duì)稱”配置效率極低。業(yè)界通過(guò)多種方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在電阻-晶體管邏輯電路中，p溝道器件被電阻器所取代。雖然這需要在開(kāi)關(guān)時(shí)間和功耗之間做出權(quán)衡，但對(duì)于許多電力電子電路來(lái)說(shuō)，這種方法已經(jīng)足夠有效。

另一種方案是直接耦合FET邏輯，它是d模和e模HEMT共集成的結(jié)果。

用于氮化鎵外延生長(zhǎng)的襯底：擴(kuò)展至 200 毫米和 300 毫米晶圓尺寸

氮化鎵器件的性能不僅取決于材料堆疊結(jié)構(gòu)和器件架構(gòu)，還與生長(zhǎng)氮化鎵材料堆疊結(jié)構(gòu)的襯底密切相關(guān)。此外，襯底的選擇對(duì)于決定氮化鎵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性至關(guān)重要。

從技術(shù)角度來(lái)看，原生GaN襯底具有最佳的材料質(zhì)量。但它們價(jià)格昂貴，而且目前僅適用于小直徑晶圓（最大150毫米（6英寸））。因此，它們很難跟上當(dāng)今電力電子行業(yè)的趨勢(shì)：200毫米（8英寸）襯底已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且在條件允許的情況下，會(huì)考慮將其尺寸擴(kuò)大到300毫米（12英寸）。

更大的晶圓直徑可以降低器件制造成本，使其成為對(duì)成本敏感的市場(chǎng)（如快速充電器、工業(yè)和消費(fèi)電源系統(tǒng)以及移動(dòng)設(shè)備、GPU 和 CPU 的電源輸送系統(tǒng)）的首選。

硅是能夠?qū)崿F(xiàn)更大晶圓尺寸擴(kuò)展的襯底之一，同時(shí)也能支持采用CMOS兼容的制造方法來(lái)制造GaN-on-Si器件。近年來(lái)，業(yè)界在克服AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在硅襯底上外延生長(zhǎng)所面臨的挑戰(zhàn)方面取得了顯著進(jìn)展。通過(guò)設(shè)計(jì)AlGaN/GaN和硅之間的緩沖層，并優(yōu)化外延生長(zhǎng)條件，可以解決材料熱膨脹系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)不匹配的問(wèn)題。

如今，GaN-on-Si技術(shù)正迎來(lái)一個(gè)新時(shí)代：從200mm硅晶圓過(guò)渡到300mm硅晶圓。過(guò)渡到300mm硅晶圓的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)不止降低制造成本。CMOS兼容的GaN-on-Si技術(shù)將能夠使用300mm的先進(jìn)設(shè)備，其能力遠(yuǎn)超200mm設(shè)備。通過(guò)擴(kuò)展加工工具和計(jì)量設(shè)備的功能，將能夠開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的GaN基功率器件。

對(duì)于更高電壓的應(yīng)用，業(yè)界正在探索其他替代方案，目前也正在研究其他襯底用于特定的電力電子應(yīng)用，但目前它們主要處于研究階段：氧化鎵（Ga2O3 ）和SiC-on-Si。

電路和系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)：?jiǎn)纹珊突旌霞沙潭雀鳟悾幌到y(tǒng)級(jí)優(yōu)化程度不斷提高

最初，大多數(shù)基于氮化鎵（GaN）的功率系統(tǒng)都是由多個(gè)芯片組成的。GaN開(kāi)關(guān)作為分立元件組裝，并通過(guò)印刷電路板（PCB）與其他非GaN元件連接。這種方法的缺點(diǎn)是存在寄生電感，會(huì)影響器件的性能。以柵極驅(qū)動(dòng)器為例，該元件為GaN晶體管的柵極提供電流，從而控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。如果將分立的GaN晶體管和驅(qū)動(dòng)器集成在單獨(dú)的芯片上，驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和晶體管的輸入級(jí)之間就會(huì)存在寄生電感。降低寄生電感并充分利用GaN優(yōu)異開(kāi)關(guān)速度的最佳方法是采用GaN技術(shù)制造驅(qū)動(dòng)器和高電子遷移率晶體管（HEMT），并將它們集成在同一芯片上。然而，這種單片集成長(zhǎng)期以來(lái)一直難以實(shí)現(xiàn)，主要原因是缺乏互補(bǔ)的GaN器件，以及難以在單個(gè)芯片上獲得用于隔離不同元件的功率域。

但近年來(lái)，GaN功率開(kāi)關(guān)與其他構(gòu)建模塊的單片集成取得了巨大進(jìn)展。目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在探索不同的研發(fā)方向。一方面，一些功能模塊被單片集成，以提高GaN功率器件的智能性和魯棒性。例如，通過(guò)將電流傳感器、溫度傳感器、柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)以及過(guò)壓保護(hù)電路等集成到GaN功率器件中，便可得到這種“智能分立元件”。另一方面，我們也看到一些功率電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最大程度的單片集成，包括半橋、全柵極驅(qū)動(dòng)器、浮動(dòng)電源電壓、隔離式電平轉(zhuǎn)換器、死區(qū)時(shí)間控制以及保護(hù)電路等。

除了單片集成度的提高，我們也看到一些混合集成方案涌現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)定制化的性能。例如，一種800V逆變器由基于GaN的650V雙向開(kāi)關(guān)和基于SiC的1200V開(kāi)關(guān)組合而成。又如，基于Si的BCD芯片（結(jié)合了Si基雙極型、CMOS和DMOS技術(shù)的芯片）上疊加GaN器件，并采用芯片到晶圓或芯片到芯片的3D集成技術(shù)進(jìn)行集成。

電力電子行業(yè)并非“贏家通吃”的市場(chǎng)。我們將看到各種組合并存，在功率轉(zhuǎn)換效率、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性、速度、魯棒性、尺寸和成本之間進(jìn)行權(quán)衡，以最終滿足應(yīng)用需求。基于此，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，而非組件級(jí)優(yōu)化。

可靠性、穩(wěn)健性和封裝：技術(shù)采用的關(guān)鍵因素

可靠性、穩(wěn)健性和封裝也是氮化鎵器件成功應(yīng)用于各種應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

在器件層面，可靠性受到場(chǎng)板設(shè)計(jì)對(duì)峰值電場(chǎng)的控制、靠近與 AlGaN 極化層界面處的介電層中的電荷俘獲以及外延層的質(zhì)量和缺陷的影響。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 ( MOCVD ) 生長(zhǎng)技術(shù)和工藝控制的進(jìn)步在緩解這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

p-GaN HEMT的一個(gè)特性是，在正向柵極電壓偏置下工作時(shí)，其在較低溫度（例如 -25°C）下的壽命較短。這可以用失效機(jī)制的負(fù)激活能來(lái)解釋。這對(duì)于某些應(yīng)用和工作條件（例如，在北方國(guó)家部署 GaN 基器件）可能非常重要，因此需要在低溫范圍內(nèi)擴(kuò)展（柵極）可靠性測(cè)試。

然而，GaN的可靠性不應(yīng)僅從器件層面考慮。通過(guò)添加有助于控制GaN晶體管柵極并抑制瞬態(tài)（即開(kāi)關(guān)操作期間發(fā)生的電壓或電流的瞬態(tài)變化）的組件和電路， 可以在系統(tǒng)層面提高可靠性和魯棒性。

欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)以及將數(shù)據(jù)反饋給柵極驅(qū)動(dòng)器的溫度傳感器，對(duì)于充分發(fā)揮 GaN 開(kāi)關(guān)器件的性能和可靠性都至關(guān)重要。

最后，基于氮化鎵的器件和系統(tǒng)的高電壓和高功率能力，需要有效的封裝解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)高電壓和高溫，而不會(huì)引起電氣擊穿。

結(jié)論

基于氮化鎵的電力電子系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)都具有巨大的潛力，它們可以支持整體脫碳，并為社會(huì)日益增長(zhǎng)的電氣化和數(shù)字化做出貢獻(xiàn)。

氮化鎵（GaN）晶圓技術(shù)、器件架構(gòu)、可靠性和穩(wěn)定性方面的進(jìn)步 ，系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，以及業(yè)界對(duì)該技術(shù)的巨額投資，共同促成了GaN技術(shù)的市場(chǎng)突破。目前，基于GaN的快速充電器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將憑借新一代緊湊型、節(jié)能型產(chǎn)品開(kāi)拓新的市場(chǎng)。

氮化鎵（GaN）是一項(xiàng)相對(duì)年輕的技術(shù)，具有很大的創(chuàng)新和優(yōu)化空間。但它的成功也取決于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在各個(gè)層面的密切合作能力——從氮化鎵集成電路設(shè)計(jì)、氮化鎵外延生長(zhǎng)到最終應(yīng)用。

https://www.imec-int.com/en/articles/unlocking-full-potential-gan-technology-next-gen-power-electronics

（來(lái)源：編譯自imec）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4324期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

加星標(biāo)??第一時(shí)間看推送

求推薦