隨著器件功耗的增加,氮化鎵技術正走向成熟

隨著器件功耗的增加，氮化鎵技術正走向成熟

Llew Vaughan-Edmunds 發表於 2020-11-05 13:03:25

隨著技術的發展，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體骨幹材料的潛力。這類材料功耗更低，性能卻優於那些已趨成熟的矽器件。消費類充電器、數據中心、5G和電動汽車等應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鍵所在。與矽相比，氮化鎵有著更出色的開關性能，開關過程中損失的熱量更少，在較高的溫度下能更穩定地工作，使工程師能夠製造更緊湊、更快速、更可靠的器件，同時減少對器件製冷的要求。

功率需求

智慧型手機需要更大的功率、更快的速度，來運行更多的應用程式。目前，手機的電池續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。智慧型手機生產商開始意識到消費者對快速充電的需求，並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。使用基於氮化鎵的高電子遷移率電晶體（HEMT）可將充電器的尺寸縮小一半，同時將功率提高到3倍，運行速度是矽基超結金屬氧化物半導體場效應電晶體（SJMOSRET）的20倍。

隨著雲計算、移動出行、物聯網、機器學習和流媒體服務的發展，對大數據存儲與計算處理的需求也大幅增加。目前，全球有700多萬個數據中心在運行，耗電量超過200太瓦。這相當於2019年全球約2%的用電量，而產生的二氧化碳排放量則與全球航空業相當。在這其中，大約30%的電力用於這些設施的冷卻。通過提高伺服器效率，減少功率和熱量損耗，可以節省大量能源，從而降低電力成本，同時減少這些設施的二氧化碳排放量。

伺服器電源由一個功率因數校正（PFC）級（例如推挽電路）和一個諧振DC-DC級（LLC諧振轉換器）組成，輸出電壓通常為12伏。不過由於高功率 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。氮化鎵技術可以讓轉換器的每一級都受益（圖1）。對於功率因數校正級，其低電容和零反向恢復可以允許配置一個簡單的推挽電路；而對於 LLC轉換器級，更快的開關速度和較少損耗，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.與現有的MOSFET設計相比，氮化鎵電晶體可以大幅提高伺服器主板的功率密度。（資料來源：GaN Systems，2020）

電動汽車的迅猛發展，導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，通用汽車公司發布了EV1電動汽車，採用16.5千瓦鉛酸電池。該車的續航裡程為70—90英裡，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，續航裡程為310英裡，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，通過電源轉換對電池進行充電。它必須做到高效、輕便、可靠。目前常用的解決方案包括使用矽基超結金屬氧化物半導體場效應電晶體（SJMOSFET）來調節、轉換並向電池充電。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於氮化鎵的高電子遷移率電晶體（HEMT）取代 SJMOSFET，前者開關頻率更高，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用領域。但在去年，使用氮化鎵技術的智慧型手機快速充電器（》28瓦）已經問世。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用中備受青睞。氮化鎵的主要應用是開關電源（SMPS），因為它可滿足快速開關和高效率的需求。便攜電源適配器（《100瓦）、伺服器電源、車載充電器和無線充電預計是其主要的增長領域。我們看到，氮化鎵技術開始在便攜電源適配器中加速使用，一旦該技術在這一領域獲得成功，我們預計它將會在更高功率、更為關鍵的一些應用領域得到應用，例如：汽車和數據中心市場（圖2）。

圖2.氮化鎵在電動汽車領域的應用取決於市場對其可靠性的信賴 ；氮化鎵的市場化應用從消費類充電器的發展開始，並需要在大規模量產中持續進行工藝改進。（資料來源：© 2019 IHS Markit）

然而，矽材料尚未過時。SJMOSFET在市場上佔據主導地位，仍是上述領域的首選技術。一方面，矽技術已非常成熟和可靠，而且還將進一步發展。另一方面，設計師們在此類器件上積攢了多年經驗。綜上，不同的技術對應不同的細分市場，具體取決於系統的複雜程度。

如今，氮化鎵正與用於開關電源的SJMOSFET、不間斷電源的高速絕緣柵雙極電晶體（IGBT）、電信領域的中壓MOSFET以及用於伺服器負載點穩壓器和同步整流的低壓MOSFET競爭。由於這些市場對價格極其敏感，氮化鎵預計將首先在高端領域推出（圖3）。

圖3.氮化鎵適用於高頻電源，而碳化矽則適用於要求更高功率和魯棒性的應用，例如電機驅動和工業電源。隨著寬禁帶器件在市場上的地位越來越穩固，在技術採用上將變得更加明確。（資料來源 ：Yole Développement）

氮化鎵器件製造考慮因素

製造氮化鎵 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、高功率密度和高電壓擊穿，要求極高質量的外延層和電介質沉積，以及精確的刻蝕和金屬沉積。

MOCVD在襯底上生長各種外延層，對氮化鎵器件的製造至關重要。缺陷密度、晶圓內均勻性和晶圓到晶圓的可重複性是MOCVD開發的關鍵考慮因素，特別是過渡到200mm時。鑑於氮化鎵和矽在膨脹過程中不同的晶格常數和熱係數，在矽上生長外延氮化鎵以形成穩定可靠的HEMT，從超晶格結構和應力控制方面來說是一個非常具有挑戰性的工藝。

刻蝕是製造氮化鎵器件的關鍵工藝。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複的。原子層精度和先進的工藝終點監測至關重要。

氮化鎵HEMT結構通常具有多層場板，以最大限度減少柵極與漏極接觸處的電壓峰值應力和動態RDS（on）。二氧化矽和氮化矽等薄膜用作電介質層，這些薄膜必須足夠優質，以求最大限度減少薄膜汙染，減少高溫下的熱降解，改善薄膜化學計量比。此外，必須控制薄膜應力以避免晶圓彎曲，這可以通過調整射頻功率和其他工藝參數來實現。

氮化矽的表面鈍化已被證明可以產生更高的載流子濃度，以便改善二維電子氣的電導率，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。

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，矽襯底的導熱係數相對較低，這導致器件的工作結溫較高。過於接近最大結溫工作會對可靠性和溫度相關特性產生不利影響，例如：RDS（ON）。因此，使熱傳導遠離晶粒是至關重要的。降低歐姆接觸電阻的離子注入技術有助於改善散熱。此外，在晶粒頂部沉積厚銅可提高熱容量和熱導率，有利於燒結銅引線框架和夾線。這提高了功率循環的可靠性，並顯著降低了因熱膨脹係數不匹配而產生的機械應力。

結論

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生越來越大的興趣，希望將其作為矽基半導體的替代材料，出現在適配器、5G、數據中心和電動汽車充電器等高功率、高效率應用中。然而，製造氮化鎵器件需要極高質量的薄膜以及極其精密的外延、電介質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，不過現在來看，氮化鎵已在便攜電源適配器應用中佔據了一席之地，一旦該技術的可靠性得到確切驗證，汽車和數據中心的應用有望隨之而來。

作者簡介：

Llew Vaughan-Edmunds

應用材料公司

電源技術戰略營銷總監

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