在上一屆Nexperia Power 現場活動中，許多行業領袖討論了與氮化鎵技術相關的不同話題。作為一種材料，在許多應用中，GaN 似乎比硅具有顯著的內在優勢。顯然有許多市場應用受益于 GaN，包括消費、汽車和航天工業中的電源轉換器。

GaN 面板有許多行業領導者，包括 Kubos Semiconductor 的 CEO Caroline O‘Brien；里卡多總工程師 Temoc Rodriguez；Hexagem 首席執行官 Mikael Bj?rk；Nexperia 戰略營銷總監 Dilder Chowdhury 和 Nexperia GaN 應用總監 Jim Honea。Chowdhury 主要致力于 GaN 的中到更高功率，而 Honea 是高壓應用的電路設計師。

Kubos Semiconductor 正在開發新技術和一種稱為立方氮化鎵的新材料。“這是氮化鎵的立方體形式，我們不僅可以在 150 毫米及以上的大規模晶圓上生產它，而且有可能將它們擴展到更高的晶圓尺寸，并可以無縫插入現有的生產線，”奧布萊恩說。

Ricardo 正在寬帶隙 （WBG） 半導體領域工作，以擴展碳化硅和 GaN 的電氣化計劃。Rodriguez 指出，Tesla 是第一個采用 SiC 代替 IGBT 的公司，許多公司也在采用包括 GaN 在內的 WBG 解決方案，以期提高效率并減小功率轉換器的尺寸和重量。

Bj?rk 談到了 Hexagem 為降低未來應用的成本和規模優勢而開發的高質量硅基 GaN 的開發活動。“我們正在尋求更高的額定電壓要求，”Bj?rk 說。

根據 Nexperia 的說法，GaN 等新技術的一大優點是它們在性能上實現了代代相傳的巨大飛躍。硅領域的所有重大勝利都已經取得；在技術生命周期的這個階段，這一切都與漸進式改進有關。

應用

隨著降低 CO 2排放的社會壓力和法規的增加，從汽車到電信等行業都被推動投資于更高效的電力轉換和更多的電氣化。傳統的硅基功率半導體技術，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），在工作頻率和速度方面存在基本限制，高溫和低電流性能較差。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。因此，WBG 半導體在許多應用中變得越來越流行。

“在應用市場中，隨著更小設計占用空間方面的改進，以及由于更高的效率，我認為 GaN 能夠實現以前未被認可或廣泛應用的應用，例如小型基站，”O’Brien 說。“所以我認為整體較小的系統設計有真正的機會，這為開發新的和令人興奮的機會開辟了道路。”

圖 1：立方氮化鎵（來源：Kubos Semiconductor）

正如 Rodriguez 指出的那樣，關鍵特性是開關頻率響應。它為 DC/DC 轉換器提供高達 5-10 kW 的有趣應用。“這是一種可以在電信和能源以及消費電子產品中考慮的標志，”他說。“有很多應用以 DC/DC 轉換器為中心，以提高效率和節能。”

圖 2：汽車市場中的 GaN（來源：Ricardo）

Rodriguez 描述了 GaN 在汽車領域的主要應用，如圖 2 所示：“在左側，您可以看到車載充電器和 DC/DC 轉換器。目前，車載充電器可以達到 3.3 kW，可能達到 7 kW，或者向 11 kW 或 22 kW 邁進，強調 GaN。電流額定值無法與碳化硅或 IGBT 進行比較。這限制了您可以使用的功率，也促使電路設計人員開始研究并聯設備。所以我們肯定是從 DC/DC 轉換器開始的。

“我們很容易想象第一個應用是 400V 到 12V 的 DC/DC 轉換器，”他繼續說道。“因此，這將是從您的高壓電池獲取電力并為您的 12-V 電池充電并保持電量充足的電池。下一個級別將是將該功率級別增加到 5 kW。當汽車行業轉向 800V 電池系統時，真正的挑戰就變成了該怎么做。”

Bj?rk 強調了晶圓的重要性以及我們正在關注電壓方面越來越高的要求，以及優化 GaN 器件的生產和盡可能降低成本的事實。“現在，150 毫米晶圓是市場地址，但在未來，你可以擴大到 200 毫米晶圓，誰知道，可能會嘗試 300 毫米晶圓，”他說。

GaN-on-Si 技術是應用最廣泛的一種技術，但在開發方面并沒有很好的聲譽。Bj?rk 表示，它面臨著挑戰，而且由于兩個主要問題，硅基 GaN 的生長并不容易。

“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數，因此它們不匹配，”他說。“因此，在將 GaN 置于硅上之前，您必須先生長相當先進的不同層堆棧，當您這樣做時，會產生許多有害的缺陷、位錯、損失和過早損壞。另一個問題是 GaN 和硅之間的熱膨脹不匹配，所以當你將其升溫到 1，000?C 左右時，當你冷卻這兩種材料時，它們會以不同的速度收縮，最終可能會破壞結構。”

圖 3 顯示了 Hexagem 在非常薄的 100 納米硅晶片上開發的新技術。Bj?rk 表示，通過對這個表面進行建模，可以生長出無缺陷的 GaN 柱。“已經開發出一種將這些柱子融合成平面層的方法，”他說。“我們正在致力于在其他半導體上開發這種工藝。”

圖 3：Hexagem 合并的 GaN-on-Si（來源：Hexagem）

Honea 強調了汽車行業的重要性。車載充電器、DC/DC 轉換器、牽引逆變器和輔助逆變器都是 GaN 的重要電氣化機會。“電動汽車用大型電池的開發正在創造許多過去沒有人想象過的應用，”Honea 說。

Chowdhury 說，由于 Q rr低或幾乎沒有 Q rr，這有助于降低濾波器設計，從而使設計更加簡單。它大大提高了切換性能。如果對柵極驅動電路有很好的理解，可以很容易地并行使用 GaN 功率晶體管。合適的去耦緩沖電路有助于輕松并聯功率 GaN FET。最困難的問題是處理高電壓和開關頻率，許多工程師以前可能從未使用現有的硅技術處理過這些問題。

GaN 功率半導體作為下一代高性能電動汽車的關鍵組件越來越受到關注，有助于減小尺寸和重量，同時提高效率。這些注意事項解決了與范圍有關的問題。工程師可以使用 GaN 來創建比基于硅的系統小 4 倍、更輕、能量損失少 4 倍的電力電子系統。零反向恢復可降低電池充電器和牽引逆變器中的開關損耗，以及更高的頻率和更快的開關速率是其中的好處。此外，減少開關導通和關斷損耗有助于減少電容器、電感器和變壓器的重量和體積，用于電動汽車充電器和逆變器等應用。

WBG 技術正在提供解決方案，因為電源轉換器設計人員正在尋找提高其設計效率和功率密度的方法。GaN 晶體管正日益成為解決方案，但與其硅晶體管一樣，單個器件的電流處理能力仍有上限。并行使用此類設備是一種常見方法。“使用 GaN 的一個有趣的事情是我們可以擴展尺寸，”Honea 說。“通過并聯 GaN 晶體管，我們可以擴展功率。但是，如果將它們并聯，則會增加共振，并且必須確保不會激發和放大它們。”

設計方面

Rodriguez 表示，Ricardo 多年來一直與 SiC 合作開發牽引逆變器解決方案。Ricardo 在該應用領域對 GaN 進行了測試（圖 4），將兩個 30 kW 應用置于同一級別。“從模擬中，您會看到峰值的差異，如圖 4 所示，”羅德里格斯說。“我認為這里最引人注目的圖表是關于損耗如何分布的餅圖，這很有趣，因為它表明在碳化硅中，您可以將轉換器設計為具有大致相等的開關損耗和傳導損耗。在這種情況下，大部分損耗為 63% 的開關損耗，其余為傳導損耗，但在氮化鎵逆變器中，事物發生了變化。換句話說，幾乎消除了開關損耗，

“現在，當然，您可能決定并聯設備，增加成本，這將減少您的傳導損耗，而不會對您的開關損耗產生太大影響，”他補充道。“雖然你不能用碳化硅做到這一點，但開關損耗是存在的，并且通過并聯設備會變得更糟。所以這是氮化鎵的一個關鍵點，也是為什么我認為它會在不久的將來成為主導技術的原因。”

圖 4：用于 30 kW 牽引逆變器的 GaN 與 SiC（來源：Ricardo）

使用 GaN 時，開關損耗也顯著降低。通過使用 GaN 技術提高開關的開啟速度，可以最大限度地減少在此過渡期間發生的損耗。通過提高開關頻率，許多大型組件的尺寸都會縮小（例如變壓器、電感器和輸出電容器）。與硅相比，GaN 具有更大的熱導率并且可以承受更高的溫度。兩者都有助于減少對熱管理組件（例如龐大的散熱器和冷卻裝置）的要求，從而顯著節省電源尺寸和重量。

供應鏈

同時設計產品和供應鏈的能力正在成為制造公司的一項關鍵能力。“GaN-on-Si 的最大優勢之一是它是在硅襯底上生長的，所以它現在是 150 毫米，并且正在努力達到 200 毫米，目前大多數反應堆都可以容納這兩者，”Chowdhury 說。“在這種情況下，實際上增加反應堆的數量可以增加晶圓廠的初始供應材料。世界各地有許多硅晶圓廠，增加現有硅晶圓廠的產能要容易得多。對于芯片級或封裝級的后端，我們有一個垂直組織，我們在遠東和全球的多個站點擁有自己的封裝。這使我們能夠進行批量生產，特別是對于封裝設備。顯然，在芯片層面，我們投入了大量資金來增加產能并滿足需求。所以我希望這能讓我們初步了解我們正在努力應對的供應鏈挑戰。”

O‘Brien 認為，無論是垂直整合的供應鏈、純代工廠還是化合物半導體，該行業都必須開始準備。幾乎所有行業對零部件的需求都在同時上升，尤其是在汽車、智能手機、醫療和工業領域，這些行業需要越來越多的成品零部件。競爭環境的突然變化會給供應鏈和分銷鏈帶來負擔，造成物流和交貨時間問題，以及由于關鍵的供應商關閉或停產而導致的放緩。