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氮化镓:轻巧、耐热、高速开关,节能一把罩

时间:2019-04-17 08:01来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
氮化镓 (GaN) 市场可概略分为光电和功率两大块,现阶段,在发光二极管 (LED)、射频 (RF) 组件和无线充电较具优势,作为功率转换、模拟应用和 RF 能量位移 (displacement) 之用。氮化镓在 LED 照明和显示器等光电领域拥有高渗透率,但着眼于它能最小化功率损耗并具有小型化、高速开关和高击穿电压等特性,今后功率半导体的成长空间相对更大,初期锁定"低电压之高端产品"。随着技术推进、工作电压拉高,未来在新能源、智能电网、资通信设备和消费电子前景看悄,无线和自动化设备发展以及汽车 GaN LED 汰换潮,将成为推动氮化镓的主力。
 
受限于成本、产量和可靠性问题,氮化镓比碳化硅 (SiC) 起步晚,因具有更高的电子迁移率 (Electron Mobility)、属高电子迁移率晶体管 (HEMT),理论上能以高于 SiC 的速度进行切换、实现高速开关操作,确保电气系统的高效率操作。功率器件中的高能效损失,主要由高器件电阻和开关转换引起的传导损耗所致;物理学家表示,如果将具有高击穿电压和低导通电阻的氮化镓,推广至所有电子设备,全球用电量可减少 10~25%!此外,GaN 的低导电性能以紧凑尺寸维持高能量应用,进一步实现电路小型化或在同一区域挤进更多的氮化镓。
 

图1:GaN 功率组件的应用拓展,将分两路演进
资料来源:Yole Développement;
https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
 
消费电子为主场,由分立器件&功率模块领军
可惜,氮化镓因导热系数低,功率密度潜力有限 (碳化硅导热率较佳,是硅的 3.5 倍以上)。在 SiC 忙着与绝缘闸双极晶体管 (IGBT) 一较长短之际,GaN 与超接面 (SJ-MOSFET) 亦直接对阵——SiC 凭借高功率和高电压抢食 IGBT 市场,GaN 则意欲瓜分较低功耗、更高容量和成本敏感的 MOSFET 地盘,分立器件及系统级封装 (SiP) 供货商包括:松下 (Panasonic)、GaN System、安森美 (ON)、宜普电源转换 (EPC)、英飞凌 (Infineon)、Transphorm、艾斯刚 (Exagan) 和德州仪器 (TI) 等,"片上系统"的整合芯片以纳微半导体 (Navitas) 和戴乐格 (Dialog) 为代表。
 

图2:GaN 功率组件供货商
资料来源:Yole Développement;
https://www.systemplus.fr/would-apple-change-the-power-gan-world/
 
研调机构 HTF MI 统计,2017 年全球氮化镓功率器件市值约 4.1 亿美元,2025 年底将达 22.1 亿美元,2018~2025 年复合成长率 (CAGR) 为23.5%。另一家 Transparency Market Research (TMR) 相对保守,估计 2017~2025 年将以 17.5% CAGR 扩张,2025 年市值将增至 14 亿美元,但提及以下关键:1.分立器件、功率模块将主导 GaN 功率器件市场,后者成长力道将以 19.5% 领先 SiC;2.消费电子为主场,其次依序是资通信、电信以及航天和国防;3.汽车行业将大幅增长,2017~2025 年 CAGR 达 20.5%,自驾车将增加对高频、高效通信系统的需求。
 
自驾车在光达 (LiDAR) 使用增强型氮化镓 (eGaN) 芯片以感知周围环境,感测精度可以"英寸"计算,但硅芯片只能明确至 10 英尺以内。另一方面,汽车 AEC-Q101 对于功率 FET 的最高可靠性标准除了一般数据表,还须降低压力测试期间的参数漂移。第一个引进 eGaN FET 的供货商——EPC 公司,对此有深入研究,批量生产超过 9 年、其晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) 已通过传统封装零件的所有测试标准,有逾 3 万个部件经过超过 18 个百万小时压力测试,证实无失效状况。
 

图3:EPC 的 eGaN 功率晶体管结构,非常近似于硅基 FET (场效晶体管)
资料来源:EPC 官网;
https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx
 
可耐受 300℃ 高温,航天、新能源是下个重点应用
特别一提的是,氮化镓对离子辐射灵敏度低,极适合作为卫星的太阳能电池数组材料或应用于超声波、核磁共振成像 (MRI) 和结肠镜检查等外科手术等医疗设备,在辐射环境相对稳定亦有利于航天和军事。GaN 已被欧洲航天局 (ESA) 认定为"关键使能技术",并为促进技术创新设立 GREAT2 项目 (GaN 可靠性增强和技术转让);美国宇航局 (NASA) HOTTech 计划 (the Hot Operating Temperature Technology Program),亦资助氮化镓研究以支持水星和金星的探索。
 
传统硅的能隙仅为 1.12 eV,意味着只要稍微升温,电子就很容易被激发并从"价带"转变为"导带"。如此一来,就无法控制载波,进而导致设备故障——水星白天温度可达 430℃,离太阳更近且富含二氧化碳的金星表面温度更上看 462℃;相较之下,氮化镓的能隙为 3.4 eV,可允许设备耐受更高的温度,特别适用于航天宇宙探索的传感器和电子仪器。HOTTech 计划研究人员表示,制程中的蚀刻和再生长是设备性能的关键。透过化学气相沉积 (CVD) 在氮化镓基板上制造内存,在沉积几层氮化镓之后,用电浆蚀刻掉部分区域再重新生长。
 

图4:针对航天应用的 GaN 微处理器进行仿真测试
资料来源:
https://www.lpi.usra.edu/vexag/meetings/archive/vexag
 
如此可产生一个存在氮原子空位的接口层,由氮空位负责撷取和释放电子,进而在器件中产生高、低阻态 (或 0、1 状态)。目前氮化镓可稳定在 0、1 之间切换的安全极限温度是 300℃,可重复循环 1,000 次;一旦高于 350℃,设备就会失去记忆效应。神奇的是,只要恢复到室温,设备就会起死回生,对多数工业应用相当具有竞争力;但要应对水星和金星环境,还必须往 500℃上限努力。
 
微波/毫米波高频通信,基板制程推陈出新
5G 时代,RF 组件的收、发基本上皆属高频信号,主要采用化合物半导体组件;其中,在 3.5GHz 和 4.5GHz 确定用氮化镓技术,中国大陆的华为和中兴已开始在基地台采用 GaN。相较于砷化镓 (GaAs),氮化镓可耐受更高的工作温度和电压,更适合作为微波 RF 的功率放大器,能在 10GHz 以上提供数十到数百瓦的功率,可望成为主流。Future Market Insights 预估 2018~2023 年 RF 功率半导体 CAGR 为 12.7%;惟氮化镓材料和制程属高资本密集且集成系统成本高,加上砷化镓已抢先卡位毫米波集成电路 (MMIC) 和低噪声放大器 (LNA),是氮化镓市场增长的最大阻碍。
 
基板制程亦影响甚巨。TDI、Kyma、先进科材 (ATMI)、Cree、CPI 等公司已实现氮化镓单晶基板的商品化,以 6 吋为主流——蓝宝石基 GaN 技术最成熟;硅基 GaN (GaN-on-Si) 可实现高集成性和低成本,下一步拟往大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑基板材料进化。钻石基板 (GaN-on-diamond) 则是最新研究方向,可透过更小的电子组件提高功率和效率,较 GaN-on-SiC 晶体器件实现超过两倍的功率密度区域。在给定功率下,GaN-on-diamond 基板和闸极结之间的热阻可较 GaN-on-SiC 器件减少约 50%。
 

图5:GaN-on Diamond HEMT 之横截面结构示意图
资料来源:
http://jss.ecsdl.org/content/6/12/Q171/F1.expansion.html
 
作为 RF 功率放大器使用,可降低电信基地台、卫星设备和雷达感测仪器的热耗并提高寿命,亦可用于混合动力车/电动车 (HEV/EV) 转换器和逆变器 (Inverter)。Akash Systems 公司是专利领先厂商,另韩国 RFHIC 公司向戴比尔斯 (De Beers) 集团的成员公司 Element Element 收购 GaN-on-diamond 技术。再者,半导体线径微缩亦恐成为限制 GaN 功率器件市场增长的关键因素——GaN 器件高电流密度扩大,使组装和互连技术面临挑战;因考虑到塑料封装具有固有的限速引线电感,恐有损性能,故 GaN 多采表面贴装 (SMT) 或 WLCSP。
 
"氧化镓"(Ga2O3) 将启动新一轮竞合?
当人们还在挣扎什么情境下值得采用 GaN?新的强劲对手似乎已悄然出现。美国国家可再生能源实验室 (NREL) 抛出一个震撼弹:未来"氧化镓"(三氧化二镓,Ga2O3) 的成本可能更低!研究结果显示,考虑诸如晶体生长和晶锭加工之类的因素,氧化镓晶圆的制造成本比 SiC 便宜 3~5 倍,且晶圆尺寸较 GaN 更容易扩大,可能为现有的硅、碳化硅和氮化镓技术提供互补,应用在 AC-DC 转换等低频、高压应用。氧化镓的电子迁移率约 4.8eV,比 SiC 和 GaN 都高,允许在击穿发生之前处理更高的电压和功率密度,据悉击穿电压已达 3kV。
 
氧化镓的临界场强度是碳化硅、氮化镓的两倍多,更是硅的 20 倍以上;而能以相对低的商业成本获得天然基板材料,是它的另一个吸睛之处——硅熔体的晶体生长,可为主流电子产品提供高质量基板;须留意的是,其导热率只有 10~30W / m-K,远逊于碳化硅的 330W / m-K 和氮化镓的 130W / m-K,恐须藉由将器件层转移到另一个热传导更佳的基板以散热,或使用风扇/液体流动的主动冷却。不过,氧化镓仍处于原型阶段,离商用化还有好长一段路,单极 FET 将是下个目标。因应工作电压与临界电场强度极限,宽能隙材料正开启属于它的时代。

 

(责任编辑:helen)
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