探析宽带隙半导体技术与氮化镓的未来前景

过去一些年，功率电子行业的工程师一直处于一个非常尴尬的境地，一方面他们无法在现有空间内继续提高功率，但同时又不希望增大设备所需的空间。如果不能增大尺寸，那么只能提高功率密度，而这又需要依赖半导体技术，乃至半导体材料的创新。宽带隙半导体，尤其是基于氮化镓（GaN）的半导体技术的出现，为功率系统设计人员提供了针对不同应用需求的更多选择。

市场趋势使然

60多年以来，硅一直都是电气产品中的基础材料，广泛用于交流电与直流转换，并调整直流电压来满足从手机到工业机器人等众多应用的需求。虽然元器件一直在持续改进和优化，但物理学意义上的极限却是横亘在硅材料面前的一条无法逾越的鸿沟。

从“砖头”手机到笨重的电视机，电源模块曾经在电子电器产品中占据相当大的空间。硅电源技术领域的创新曾一度大幅缩减了这些应用的尺寸，但却很难更进一步。在现有尺寸规格下，硅材料无法在所需的频率下输出更高的功率。而对于即将推出的5G无线网络，以及未来的机器人、可再生能源直至数据中心技术，功率都是一个至关重要的因素。此外，更严格的行业标准也在推动电子产品向更高能效和更紧凑的方向发展，对功率半导体提出了更高功率密度的性能要求。

硅达到其性能极限的窘境，为宽禁带产品的开发开启了机会。宽禁带产品有出色的性能优势，可以利用高频实现高能效、高功率密度。宽禁带超级结（SJ）产品可以提高工作频率，使用的范围更广。碳化硅（SiC）具有高频、高功率能力，但频率范围比GaN低些，GaN的频率范围最高，功率却相对低些。下图可以看出各类功率器件的频率、输出功率范围及在汽车中的应用。

GaN的时代已经到来

GaN可处理更高频率和更高的功率，与硅器件相比，它可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率，因此提高了功率密度，有助于设计人员在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求。

更高的频率交换意味着GaN可以一次转换更大范围的功率，减少复杂设计中的功率转换。由于每次功率转换都会产生新的能耗，这对于很多高压应用是一个明显的优势。基于GaN的全新电源和转换系统功率损耗更低，产生的热量也更少。由于高温会提高运行成本、干扰网络信号并诱发设备故障，这些特性便显得尤为重要。

GaN技术的研发正逐步走向成熟，从研究转向批量生产是一个漫长的过程，其中包括对电子工程师的教育。今天，许多技术壁垒已经消除。为了提高产量和降低成本，制造工艺已逐渐优化，针对该技术的特殊的质量流程已经实施，并在2017年11月JEDEC组织成立了一个新的委员会，为宽禁带半导体制定了标准（JC- 70），这预示着批量生产即将开始。

新产品如雨后春笋

市场调研机构HIS预计，从现在年到2027年SiC和GaN应用将激增，包括电动/混动汽车及充电桩基础设施、太阳能逆变器、电源、工业电机驱动、不间断电源（UPS）、军事/航空等应用领域，其中电动/混动汽车、太阳能逆变器、电源将是主要的应用市场。

形形色色的GaN芯片及模块

最近短短几个月，许多厂商都发布了新的产品。宜普电源转换公司（EPC）推出了100 V的EPC2051氮化镓场效应晶体管，其占板面积只是1.1平方毫米、最大导通阻抗为25 mΩ，脉冲输出电流高达37 A，支持高效功率转换。此外，低成本的EPC2051与等效硅MOSFET的成本可比。这种器件可用于自动驾驶汽车的激光雷达（LiDAR），快速获得物体检测和距离测量方面的环境信息。得益于其高性能、小尺寸及低成本优势，应用涵盖运算及通信系统、激光雷达、LED照明及D类音频放大器等应用的48 V输入电压的电源转换器。

英飞凌的氮化镓解决方案CoolGaN™ 600 V增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动IC（GaN EiceDRIVER IC）也已投入量产。它们具备更高功率密度，可实现更加小巧、轻便的设计，从而降低系统总成本和运行成本，减少资本支出。氮化镓栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率，几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效，大大缩短研发周期。英飞凌的产品支持高频应用，如企业级超大规模数据中心服务器、通信整流器、适配器、充电器、SMPS和无线充电设施等。

GaN Systems在中国的PEAC电力电子会议上推出了新产品并提供GaN设计专长。新的GS-065低电流（4A至11A）GaN Systems产品线，无需使用分立或集成驱动器，使之易于实现并降低系统成本。这种1kW以下的电源解决方案非常适合许多应用，包括游戏和工作站笔记本电脑AC适配器、电视电源、LED照明和无线电源系统。新的50W无线功率放大器扩展了适用于无线功率传输和充电应用的解决方案，包括100 W功率放大器和300 W功率放大器产品，目标是消费、工业和汽车市场的低功率应用，如手持电子产品、电动工具、玩具、家用、机器人、无人机和滑板车。

意法半导体和Leti合作开发了硅基氮化镓功率开关器件制造技术。该技术将能够满足高能效、高功率的应用需求，包括混动和电动汽车车载充电器、无线充电和服务器。该项目的重点是开发和检测在200mm晶片上制造的先进的硅基氮化镓功率二极管和晶体管架构。此外，意法半导体还宣布与MACOM合作开发射频硅基氮化镓技术，用于MACOM的各种射频产品和意法半导体为非电信市场研制的产品。

德州仪器（TI）近日推出支持高达10kW应用的新型即用型600 V氮化镓50mΩ和70mΩ功率级产品组合。与AC/DC电源、机器人、可再生能源、电网基础设施、电信和个人电子应用中的硅场效应晶体管（FET）相比，LMG341x系列使设计人员能够创建更小、更高效和更高性能的设计。其GaN FET器件通过集成独特的功能和保护特性，来实现简化设计，达到更高的系统可靠性和优化高压电源的性能，为传统级联和独立的GaN FET提供了智能替代解决方案。通过集成的<100ns电流限制和过温检测，器件可防止意外的直通事件并防止热失控，同时系统接口信号可实现自我监控功能。

相比之下，虽然我国早在2000年便开始了以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体电力电子器件的研发。但我国氮化镓核心材料、器件原始创新能力仍相对薄弱。当然，目前国内已有少数公司在氮化镓研究、制造方面取得了一些成果，如苏州纳维科技制造出了氮化镓衬底晶片，江苏能华微电子建成了中国首条8英寸氮化镓芯片生产线。我们希望看到，中国建立起氮化镓器件研发和生产的完整产业链。

未来应用愿景

今天，尺寸减半、功率翻番的氮化镓技术给机器人、可再生能源和电信等领域带来了革新。经过多年的研究、实际验证和可靠性测试，GaN已开始成为解决功率密度问题的最佳技术。有公司在高于硅材料的工作温度和电压下，对GaN器件进行了2000万小时的加速可靠性测试，确信GaN工艺、技术和器件完全合格，而且已经具备批量化生产的条件。

我们看到，在一些功率密度为优先特性的关键行业，GaN已经开始替代硅材料。批量化生产GaN功率模块的最佳适用行业包括：制造：利用GaN技术可更简单地将驱动和功率转换组件集成至机器人中，简化设计、减少繁冗的布线并降低运行成本；数据中心：有效地将48V电压一次转化为大多数计算机硬件所要求的低电压，提升数据中心的功率效率，大幅降低电源配送损耗并将转换损耗减少30%。；无线服务：大范围的5G网络覆盖要求运营商部署更高功率和运行频率的设备，GaN的功率密度优势可以满足他们的需求；可再生能源：GaN能够以90%的效率转化10千瓦的可再生能源，这对于电力企业来说是一个非常出色的性能基准。

时至今日，GaN的进化仍远未结束。未来，GaN将继续扩展至消费者电子产品等领域，打造更薄的平板显示器，并减少可充电设备的能源浪费。可以这样讲，如果你只是需要3%或4%的能效提升，可以利用其它很多方法实现，但是，如果你希望功率密度翻番，那么GaN则是你的优先选择。