氮化鎵“上車”，能行嗎？

半導體材料與工藝設備

2021年7月23日 13:29

雖然氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）同屬于寬禁帶半導體材料，相較于已經發展十多年的碳化硅而言，GaN功率器件是個不折不扣的“新秀”。它既擁有類似SiC在寬禁帶材料方面的性能優勢，也擁有更強的成本控制潛力。與傳統硅材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率輸出密度和更高的能量轉換效率，并可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量。隨著新能源汽車市場的爆發式增長，未來在新能源汽車市場，GaN也將迎來屬于自己的一席之地。

多家企業嘗試讓GaN“上車”

汽車領域是GaN在大功率器件中的重點應用場景。Yole數據表明，傳統車和新能源車會是GaN功率器件的全新應用場景，到2026年市場規模會從2020年的30萬美元增加到1.6億美元。

如今，已有多家企業嘗試讓GaN“上車”。在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席執行官 Jim Witham 介紹了一款 All-GaN（全氮化鎵）汽車，采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了 GaN 在汽車功率轉換方面的可行性，同時也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。

安世半導體也前行在讓GaN“上車”的路上，據安世半導體MOS業務集團大中華區總監李東岳介紹，安世半導體已經采用GaN材料開發出針對900V高壓的車載產品，且未來還有針對1200V產品的計劃，這打破了GaN僅適用于中低壓產品的傳統思維。

“電動汽車對高效率、高功率密度有著嚴苛的要求。通過節約零組件對車內空間的占用，讓乘坐空間更加舒適。針對高功率密度、強續航能力等需求，目前的硅功率半導體材料器件已經發展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合電動汽車的需求。” 李東岳表示。

車用氮化鎵存在四大挑戰

盡管GaN功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等方面較硅功率器件均有數量級的提升，但也面臨著許多瓶頸。盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應用場景，但是如今依然面臨著挑戰。

據了解，在新能源汽車領域，GaN面臨最大的挑戰在于，由于車規級認證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強的競爭力，否則難以進行大規模應用和普及。此外，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，因此法國Yole公司預估，GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進行部署。

李東岳也認為，車用氮化鎵主要存在四方面的挑戰：一是車用領域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數的長期穩定;二是車規功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環境，要求器件在應對熱應力和機械應力的過程中有著極高的可靠性;三是車在裝備的過程中，在體積重量和制造成本上都有嚴格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要;四是車規器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術門檻很高。