隨著器件功耗的增加，氮化鎵技術(shù)正走向成熟

隨著技術(shù)的發(fā)展，對功率的需求也在增加。氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）材料逐漸彰顯其作為新一代功率半導(dǎo)體骨干材料的潛力。這類材料功耗更低，性能卻優(yōu)于那些已趨成熟的硅器件。消費類充電器、數(shù)據(jù)中心、5G和電動汽車等應(yīng)用代表著功率器件主要的增長市場，它們對器件有著相同的需求：更小的尺寸、更大的功率、更低的損耗。

化合物半導(dǎo)體材料氮化鎵可滿足所有這些需求，這將是其在未來幾年得以重用的關(guān)鍵所在。與硅相比，氮化鎵有著更出色的開關(guān)性能，開關(guān)過程中損失的熱量更少，在較高的溫度下能更穩(wěn)定地工作，使工程師能夠制造更緊湊、更快速、更可靠的器件，同時減少對器件制冷的要求。

功率需求

●   智能手機

智能手機需要更大的功率、更快的速度，來運行更多的應(yīng)用程序。目前，手機的電池續(xù)航幾乎無法維持一天。此外，標準的5瓦充電器充電速度較慢。智能手機生產(chǎn)商開始意識到消費者對快速充電的需求，并準備推出新一代的大功率充電器，提供高達65瓦的功率，能大幅縮短充電時間。使用基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管（HEMT）可將充電器的尺寸縮小一半，同時將功率提高到3倍，運行速度是硅基超結(jié)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SJMOSRET）的20倍。

●   數(shù)據(jù)中心

隨著云計算、移動出行、物聯(lián)網(wǎng)、機器學(xué)習(xí)和流媒體服務(wù)的發(fā)展，對大數(shù)據(jù)存儲與計算處理的需求也大幅增加。目前，全球有700多萬個數(shù)據(jù)中心在運行，耗電量超過200太瓦。這相當(dāng)于2019年全球約2%的用電量，而產(chǎn)生的二氧化碳排放量則與全球航空業(yè)相當(dāng)。在這其中，大約30%的電力用于這些設(shè)施的冷卻。通過提高服務(wù)器效率，減少功率和熱量損耗，可以節(jié)省大量能源，從而降低電力成本，同時減少這些設(shè)施的二氧化碳排放量。

服務(wù)器電源由一個功率因數(shù)校正（PFC）級（例如推挽電路）和一個諧振DC-DC級（LLC諧振轉(zhuǎn)換器）組成，輸出電壓通常為12伏。不過由于高功率 CPU和專用GPU耗電更高，因此目前的趨勢是向48伏電源發(fā)展。此外，更高的電壓可將輸電線路上的功耗最高減少到原來的十六分之一。氮化鎵技術(shù)可以讓轉(zhuǎn)換器的每一級都受益（圖1）。對于功率因數(shù)校正級，其低電容和零反向恢復(fù)可以允許配置一個簡單的推挽電路；而對于 LLC轉(zhuǎn)換器級，更快的開關(guān)速度和較少損耗，讓磁體和電容都可以縮小。更精準的同步整流因為停滯時間縮減，從而讓氮化鎵達到減少功率消耗的效果。

圖1 與現(xiàn)有的MOSFET設(shè)計相比，氮化鎵晶體管可以大幅提高服務(wù)器主板的功率密度。（資料來源：GaN Systems，2020）

●   電動汽車車載充電器

電動汽車的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致市場對更快的充電速度和更高的充電效率的需求也在增加。1996年，通用汽車公司發(fā)布了EV1電動汽車，采用16.5千瓦鉛酸電池。該車的續(xù)航里程為70—90英里，充滿電需要7.5小時。如今，特斯拉Model 3配備的是80千瓦鋰離子電池，續(xù)航里程為310英里，使用特斯拉的V3超級充電樁，充滿電只需35分鐘。

車載充電器（OBC）布置在車內(nèi)，通過電源轉(zhuǎn)換對電池進行充電。它必須做到高效、輕便、可靠。目前常用的解決方案包括使用硅基超結(jié)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SJMOSFET）來調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換并向電池充電。它的尺寸大約為18英寸×25英寸，重量大概13磅，能效約為94%。

新一代車載充電器將使用基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管（HEMT）取代 SJMOSFET，前者開關(guān)頻率更高，從而可以縮小車載充電器中磁體、電容器和散熱片的尺寸。這使整個車載充電器的尺寸和重量減少30—40%，而能效可接近97%。

不斷增長的氮化鎵市場

以往，氮化鎵電源市場主要是在小眾應(yīng)用領(lǐng)域。但在去年，使用氮化鎵技術(shù)的智能手機快速充電器（>28瓦）已經(jīng)問世。更小的尺寸、更高的效率和性價比，使其在手機以及筆記本電腦應(yīng)用中備受青睞。氮化鎵的主要應(yīng)用是開關(guān)電源（SMPS），因為它可滿足快速開關(guān)和高效率的需求。便攜電源適配器（<100瓦）、服務(wù)器電源、車載充電器和無線充電預(yù)計是其主要的增長領(lǐng)域。我們看到，氮化鎵技術(shù)開始在便攜電源適配器中加速使用，一旦該技術(shù)在這一領(lǐng)域獲得成功，我們預(yù)計它將會在更高功率、更為關(guān)鍵的一些應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如：汽車和數(shù)據(jù)中心市場（圖2）。

圖2 氮化鎵在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用取決于市場對其可靠性的信賴 ；氮化鎵的市場化應(yīng)用從消費類充電器的發(fā)展開始，并需要在大規(guī)模量產(chǎn)中持續(xù)進行工藝改進。（資料來源：? 2019 IHS Markit）

然而，硅材料尚未過時。SJMOSFET在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，仍是上述領(lǐng)域的首選技術(shù)。一方面，硅技術(shù)已非常成熟和可靠，而且還將進一步發(fā)展。另一方面，設(shè)計師們在此類器件上積攢了多年經(jīng)驗。綜上，不同的技術(shù)對應(yīng)不同的細分市場，具體取決于系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

如今，氮化鎵正與用于開關(guān)電源的SJMOSFET、不間斷電源的高速絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、電信領(lǐng)域的中壓MOSFET以及用于服務(wù)器負載點穩(wěn)壓器和同步整流的低壓MOSFET競爭。由于這些市場對價格極其敏感，氮化鎵預(yù)計將首先在高端領(lǐng)域推出（圖3）。

圖3 氮化鎵適用于高頻電源，而碳化硅則適用于要求更高功率和魯棒性的應(yīng)用，例如電機驅(qū)動和工業(yè)電源。隨著寬禁帶器件在市場上的地位越來越穩(wěn)固，在技術(shù)采用上將變得更加明確。（資料來源 ：Yole Développement）

氮化鎵器件制造考慮因素

制造氮化鎵 HEMT 所涉及的每一道工序都必須非常精確，以獲得最佳的器件性能和可靠性。寬禁帶器件的快速開關(guān)、高功率密度和高電壓擊穿，要求極高質(zhì)量的外延層和電介質(zhì)沉積，以及精確的刻蝕和金屬沉積。

●   金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）

MOCVD在襯底上生長各種外延層，對氮化鎵器件的制造至關(guān)重要。缺陷密度、晶圓內(nèi)均勻性和晶圓到晶圓的可重復(fù)性是MOCVD開發(fā)的關(guān)鍵考慮因素，特別是過渡到200mm時。鑒于氮化鎵和硅在膨脹過程中不同的晶格常數(shù)和熱系數(shù)，在硅上生長外延氮化鎵以形成穩(wěn)定可靠的HEMT，從超晶格結(jié)構(gòu)和應(yīng)力控制方面來說是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工藝。

●   刻蝕

刻蝕是制造氮化鎵器件的關(guān)鍵工藝。其中存在兩個明顯的難題：一個是氮化鎵/鋁鎵氮的高選擇比；另一個是p型氮化鎵刻蝕可能存在鋁鎵氮的過度刻蝕，導(dǎo)致表面粗糙，從而降低表面電阻。此外，帶有凹陷柵極的HEMT需要一定的鋁鎵氮厚度，這一厚度必須是精確控制且高度可重復(fù)的。原子層精度和先進的工藝終點監(jiān)測至關(guān)重要。

●   化學(xué)氣相沉積（CVD）

氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)通常具有多層場板，以最大限度減少柵極與漏極接觸處的電壓峰值應(yīng)力和動態(tài)RDS(on)。二氧化硅和氮化硅等薄膜用作電介質(zhì)層，這些薄膜必須足夠優(yōu)質(zhì)，以求最大限度減少薄膜污染，減少高溫下的熱降解，改善薄膜化學(xué)計量比。此外，必須控制薄膜應(yīng)力以避免晶圓彎曲，這可以通過調(diào)整射頻功率和其他工藝參數(shù)來實現(xiàn)。

氮化硅的表面鈍化已被證明可以產(chǎn)生更高的載流子濃度，以便改善二維電子氣的電導(dǎo)率，提高器件性能。三氧化二鋁等替代材料通過原子層沉積來提高器件性能。

●   物理氣相沉積（PVD）和電鍍

氮化鎵 HEMT 是橫向器件，具有非常高的電流密度，因此大部分損耗發(fā)生在晶粒頂部。在普通的分立封裝中，晶粒的底部會連接到銅引線框架上。然而，硅襯底的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，這導(dǎo)致器件的工作結(jié)溫較高。過于接近最大結(jié)溫工作會對可靠性和溫度相關(guān)特性產(chǎn)生不利影響，例如：RDS(ON)。因此，使熱傳導(dǎo)遠離晶粒是至關(guān)重要的。降低歐姆接觸電阻的離子注入技術(shù)有助于改善散熱。此外，在晶粒頂部沉積厚銅可提高熱容量和熱導(dǎo)率，有利于燒結(jié)銅引線框架和夾線。這提高了功率循環(huán)的可靠性，并顯著降低了因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的機械應(yīng)力。

結(jié)論

隨著能源需求的增加，對更高能效的追求正促使人們對氮化鎵產(chǎn)生越來越大的興趣，希望將其作為硅基半導(dǎo)體的替代材料，出現(xiàn)在適配器、5G、數(shù)據(jù)中心和電動汽車充電器等高功率、高效率應(yīng)用中。然而，制造氮化鎵器件需要極高質(zhì)量的薄膜以及極其精密的外延、電介質(zhì)和金屬沉積以及刻蝕等工藝。在2019之前，氮化鎵的市場非常有限，不過現(xiàn)在來看，氮化鎵已在便攜電源適配器應(yīng)用中占據(jù)了一席之地，一旦該技術(shù)的可靠性得到確切驗證，汽車和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用有望隨之而來。

作者簡介：

Llew Vaughan-Edmunds

應(yīng)用材料公司

電源技術(shù)戰(zhàn)略營銷總監(jiān)