下一代電力電子用氮化鎵器件

 荷蘭芯片制造商N(yùn)experia贊助的最新工業(yè)行業(yè)活動(dòng)的參與者表示，汽車(chē)、消費(fèi)品和航空航天應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用正在利用氮化鎵（GaN）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。例如，Kubos半導(dǎo)體公司正在開(kāi)發(fā)一種稱為GaN立方的新材料。Kubos首席執(zhí)行官Caroline O'Brien說(shuō)：“這是立方形式的氮化鎵，我們不僅可以在150毫米及以上的大規(guī)模晶圓上生產(chǎn)，而且還可以擴(kuò)展到更大的晶圓尺寸，并可以無(wú)縫插入現(xiàn)有的生產(chǎn)線?！?。
其它人正在努力擴(kuò)大寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體在電源管理方面的應(yīng)用范圍。英國(guó)電氣化專業(yè)公司里卡多（Ricardo）公司正在使用氮化鎵和碳化硅技術(shù)擴(kuò)大其功率能力。里卡多的總工程師Temoc Rodriguez指出，特斯拉是第一家使用碳化硅代替絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的汽車(chē)制造商，這引發(fā)了更多使用WBG材料的趨勢(shì)，以提高功率效率，同時(shí)減少功率轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。
Hexagem首席執(zhí)行官M(fèi)ikaelBj?rk介紹了這家瑞典公司開(kāi)發(fā)的GaN-on-Silicon技術(shù)，旨在降低成本，同時(shí)增加未來(lái)應(yīng)用中的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。Bj?rk說(shuō)：“我們正在考慮對(duì)額定電壓提出更高的要求。”。
活動(dòng)贊助商N(yùn)experia指出，每一種新一代GaN技術(shù)都會(huì)在性能上持續(xù)穩(wěn)步提升，這一提升可能會(huì)超過(guò)硅目前的成本優(yōu)勢(shì)。支持者認(rèn)為，硅技術(shù)的進(jìn)步是微乎其微的。 應(yīng)用領(lǐng)域
隨著降低二氧化碳排放的壓力增大，從汽車(chē)到電信等行業(yè)正被推動(dòng)投資于更高效的功率轉(zhuǎn)換和電氣化。硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)（如IGBT）在工作頻率和速度方面存在基本限制。它們還表現(xiàn)出較差的高溫和低電流性能。高壓硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率和高溫性能同樣受到限制。這些限制促使更多的應(yīng)用設(shè)計(jì)者考慮WBG半導(dǎo)體。
Kubos Semiconductor的O'Brien說(shuō)：“在應(yīng)用市場(chǎng)，隨著設(shè)計(jì)空間的縮小和效率的提高，我認(rèn)為GaN能夠?qū)崿F(xiàn)以前未被認(rèn)可或廣泛應(yīng)用的應(yīng)用，例如小型****。對(duì)于較小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)真正的機(jī)會(huì)?！?/span>
關(guān)鍵特性是開(kāi)關(guān)的頻率特性，特別是在高達(dá)5–10 kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中。Rodriquez補(bǔ)充道：“可以考慮在電信和能源領(lǐng)域，同時(shí)也在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用該技術(shù)。以DC/DC轉(zhuǎn)換器為中心的大量應(yīng)用可提高效率并節(jié)約能源。”
除了更高的電壓，Hexagem的Bj?rk在優(yōu)化GaN器件生產(chǎn)以降低成本的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了晶圓的可擴(kuò)展性。Bj?rk預(yù)測(cè)：“目前，150毫米晶圓是市場(chǎng)的關(guān)注點(diǎn)，但未來(lái)[生產(chǎn)]可以擴(kuò)展到200毫米晶圓。而且，可能會(huì)有300毫米晶圓的嘗試?！?。
GaN-on-Si技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，在器件開(kāi)發(fā)方面沒(méi)有很好的聲譽(yù)。“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數(shù)，所以它們不匹配，”Bj?rk說(shuō)：“在將GaN材料附著在硅上之前，你必須生長(zhǎng)出相當(dāng)復(fù)雜的不同層。當(dāng)這樣做時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多有害的缺陷、位錯(cuò)、耗損和過(guò)早破壞。
“另一個(gè)問(wèn)題是GaN和硅之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，”他補(bǔ)充道：“當(dāng)將其生長(zhǎng)環(huán)境加熱到到約1000?C，然后冷卻這兩種材料時(shí)，它們會(huì)以不同的速率收縮，最終會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。”
Nexperia的GaN應(yīng)用主管Jim Honea說(shuō)：“與此同時(shí)，從車(chē)載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器到牽引和輔助逆變器等汽車(chē)應(yīng)用都在利用GaN技術(shù)。電動(dòng)汽車(chē)用大型電池的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了許多過(guò)去沒(méi)有人想象過(guò)的應(yīng)用?！?。
此外，Nexperia的DilderChowdhury指出，低Qrr或反向恢復(fù)電荷有助于簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)，從而提高開(kāi)關(guān)性能。GaN功率晶體管也可通過(guò)共用柵極驅(qū)動(dòng)電路并聯(lián)使用。高電壓和開(kāi)關(guān)頻率是最大的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)硅器件工程師而言。
隨著電動(dòng)汽車(chē)制造商尋求提高行駛里程，氮化鎵功率集成電路（GaN power IC）作為一種在提高效率的同時(shí)減小尺寸和重量的方法，正在獲得更多重視。
GaN可用于設(shè)計(jì)更小、更輕的電力電子系統(tǒng)，與硅基系統(tǒng)相比，具有相當(dāng)?shù)哪芰繐p耗。零反向恢復(fù)，減少了電池充電器和牽引逆變器的開(kāi)關(guān)損耗，以及更高的頻率和更快的開(kāi)關(guān)速率，這些都是好處之一。此外，降低開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷損耗有助于減少電動(dòng)汽車(chē)充電器和逆變器等應(yīng)用中電容器、電感器和變壓器的重量和體積。
支持者們斷言，WBG技術(shù)為功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)師提供了提高效率和功率密度的新方法。與硅器件一樣，單GaN器件的電流處理能力仍有其上限。實(shí)現(xiàn)GaN器件并聯(lián)是一種常見(jiàn)的方法。GaN的功率可以進(jìn)行縮放，Honea說(shuō)：“通過(guò)將氮化鎵晶體管并聯(lián)，我們可以擴(kuò)大功率。然而，如果將它們并聯(lián)，諧振的可能性會(huì)成倍增加，必須確保不會(huì)激發(fā)和放大它們。”
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