憑借快充出圈的氮化鎵，為什么這么火？

氮化鎵是近兩年才進(jìn)入大眾視野，成為半導(dǎo)體行業(yè)的熱門話題之一。其實(shí)，人們?cè)诤茉绲臅r(shí)候就已經(jīng)開始使用第三代半導(dǎo)體了。十年前，我國(guó)的基站射頻功放基本上就是用氮化鎵來做的。然而氮化鎵火出圈，卻是在小米10的發(fā)布會(huì)上，因?yàn)槔总姷囊活D夸加上受消費(fèi)者青睞，氮化鎵快充成為了手機(jī)圈的潮流。

氮化鎵快充火爆的背后，除了受消費(fèi)者需求影響，是否還有其他原因？為什么快充會(huì)率先用到氮化鎵呢？日前，在深圳舉辦的第九屆EEVIA年度中國(guó)電子ICT媒體論壇暨2021產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)上，聽完英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)程文濤先生的演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》，筆者找到了答案。

程文濤 英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)

發(fā)表演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》

為什么快充會(huì)先用到氮化鎵？

日常生活中用到的電源轉(zhuǎn)換里面，第三代半導(dǎo)體是比較少見，主要原因是它的成本高。然而，快充這一產(chǎn)品本來理應(yīng)對(duì)價(jià)格非常敏感，為什么會(huì)先用到氮化鎵器件呢？

作為第三代半導(dǎo)體，氮化鎵有三個(gè)特征：開關(guān)頻率高、禁帶寬度大、更低的導(dǎo)通電阻。它在充電器上的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：體積小，重量輕；功率密度大，效率高但不容易發(fā)熱；手機(jī)、筆記本都能充，兼容多個(gè)設(shè)備。它的這些特點(diǎn)很好的滿足了消費(fèi)者對(duì)快充的需求。除此之外，快充會(huì)先用到氮化鎵器件，還是市場(chǎng)催生出來的一個(gè)做法。

“因?yàn)榈夁@種材料，到目前為止，它的誕生是有些年頭了，但是真正在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的商用規(guī)模還不夠大。規(guī)模不夠大的時(shí)候，一些潛在的可靠性的問題，就不足以把它暴露出來。用什么方式來驗(yàn)證這種東西的可靠性呢？手機(jī)的快充是最好的選擇，這就是為什么市場(chǎng)選擇了快充率先使用氮化鎵的一個(gè)主要原因，這也是一個(gè)很有趣的話題。當(dāng)市場(chǎng)通過這樣大規(guī)模的方式把新材料、可靠性驗(yàn)證了之后，我們相信應(yīng)該是很快的在一些工業(yè)領(lǐng)域，會(huì)看到更多的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用?！?程先生在演講中解釋道。

換言之，氮化鎵是比較新的材料，還有很多失效模式并沒有被完全理解消化。若是想驗(yàn)證氮化鎵器件的可靠性，一個(gè)比較好的辦法是將其放到實(shí)際應(yīng)用中去。好不好，一用便知。當(dāng)然，應(yīng)用的規(guī)模要大，量要多，這樣才能有深入的了解?？斐湔脻M足了大量應(yīng)用的條件，而氮化鎵器件又滿足了快充高功率充電的需求。同時(shí)，消費(fèi)領(lǐng)域不像工業(yè)、汽車等需要非常高的可靠性，現(xiàn)有的氮化鎵器件的可靠性就能滿足。氮化鎵、快充，兩者一拍即合，攜手破圈。

什么影響了氮化鎵器件的可靠性？

上文我們提到了氮化鎵器件的可靠性，是什么影響了它的可靠性呢？是材料本身，還是工藝問題？單就氮化鎵這個(gè)材料而言是沒什么問題的，氮化鎵器件的制作門檻也不高，但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是個(gè)好材料，可如何將氮化鎵器件做得可靠卻是難點(diǎn)。

為什么這么說呢？讓我們看下氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)。

英飛凌 600V CoolGaN器件結(jié)構(gòu)

典型GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖（來源：氮化鎵科技匯）

氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)是，在硅基襯底上往上長(zhǎng)氮化鎵的外沿。這里要克服一個(gè)問題，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是電失效、熱失效，但第三代半導(dǎo)體，包括氮化鎵、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一樣。因?yàn)樗且粋€(gè)各向異性的材料，兩種元素化合的。它在開關(guān)的過程中會(huì)產(chǎn)生所謂的介電效應(yīng)，因?yàn)榻殡娦?yīng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，積累到一定程度就壞了。這是第三代半導(dǎo)體普遍的失效模式。要長(zhǎng)這個(gè)外延的目的就是從硅上面慢慢過渡到氮化鎵，所以底下這些是被拿來犧牲的，底下這塊時(shí)間久了以后，里面的一些晶體結(jié)構(gòu)是注定要壞的，反正它不承擔(dān)導(dǎo)電的任務(wù)，但是承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的部分，必須要被緩慢的過渡到不被介電效應(yīng)所影響。這個(gè)工藝說起來簡(jiǎn)單，但是掌握起來非常困難。

第三代半導(dǎo)體：提升能效的關(guān)鍵

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前溫室氣體排放量的三分之二來自能源部門；全球能源需求的三分之一左右是用電需求。能效正成為實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)的重要杠桿，高能效解決方案對(duì)于促進(jìn)全球發(fā)展和滿足由此產(chǎn)生的能源需求越來越重要。

在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，如何提高效率呢？辦法是導(dǎo)通損耗要盡可能的少。目前普遍應(yīng)用的硅基半導(dǎo)體的導(dǎo)通損耗最低能達(dá)到0.4 Ω mm2，已經(jīng)到達(dá)了它的物理極限。但是第三代半導(dǎo)體不同，它們會(huì)一直沿著降低導(dǎo)通損耗的趨勢(shì)發(fā)展。比如在交流電轉(zhuǎn)到48V的領(lǐng)域，第三代半導(dǎo)體的能效高達(dá)98%。

高壓半導(dǎo)體器件的Ron x A 路線圖

放眼能源轉(zhuǎn)換，尤其是交流轉(zhuǎn)直流的部分，在節(jié)能減排方面我們能做的事情已經(jīng)不太多了。其實(shí)現(xiàn)在擔(dān)負(fù)節(jié)能減排責(zé)任更重要的是CPU跟射頻發(fā)射部分，這兩個(gè)部分的效率是整個(gè)從產(chǎn)生電到用電部分的瓶頸所在。但是在能效轉(zhuǎn)換部分，第三代半導(dǎo)體是能夠在我們有限提升的基礎(chǔ)上，再往前跨一步的關(guān)鍵因素。

雖然現(xiàn)在電源轉(zhuǎn)換已經(jīng)達(dá)到了96%的效率，并朝著98%的效率發(fā)展，但是用第三代半導(dǎo)體，哪怕是提升了一點(diǎn)點(diǎn)，節(jié)省出來的電數(shù)額也非常龐大。以英飛凌的CoolGaN產(chǎn)品為例，如果美國(guó)的每個(gè)數(shù)據(jù)中心都是用它，那么每年可節(jié)省40億度電，減少二氧化碳排放量200萬噸。