氮化鎵器件
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-06
氮化鎵器件的實(shí)例教程
上文我們提到了氮化鎵器件的可靠性，是什么影響了它的可靠性呢？是材料本身，還是工藝問(wèn)題？
單就氮化鎵這個(gè)材料而言是沒(méi)什么問(wèn)題的，氮化鎵器件的制作門(mén)檻也不高，但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是個(gè)好材料，可如何將氮化鎵器件做得可靠卻是難點(diǎn)。
為什么這么說(shuō)呢？讓我們看下氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)。
英飛凌 600V CoolGaN器件結(jié)構(gòu)
典型GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖
來(lái)源：氮化鎵科技匯
氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)是，在硅基襯底上往上長(zhǎng)氮化鎵的外沿。
這里要克服一個(gè)問(wèn)題，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是電失效、熱失效，但第三代半導(dǎo)體，包括氮化鎵、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一樣。
因?yàn)榈谌雽?dǎo)體是一個(gè)各向異性的材料，兩種元素化合的。它在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生所謂的介電效應(yīng)，因?yàn)榻殡娦?yīng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，積累到一定程度就壞了。這是第三代半導(dǎo)體普遍的失效模式。
要長(zhǎng)這個(gè)外延的目的就是從硅上面慢慢過(guò)渡到氮化鎵，所以底下這些是被拿來(lái)犧牲的。底下這塊時(shí)間久了以后，里面的一些晶體結(jié)構(gòu)是注定要壞的，反正它不承擔(dān)導(dǎo)電的任務(wù)；但是承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的部分，必須要被緩慢的過(guò)渡到不被介電效應(yīng)所影響。
這個(gè)工藝說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是掌握起來(lái)非常困難。
展開(kāi) 要做好一個(gè)理想的氮化鎵的方案，硅基氮化鎵公司除了要把功率器件做好，驅(qū)動(dòng)控制IC的技術(shù)和電源的方案也非常重要。硅基氮化鎵是一家功率公司，前期也是一家電源公司。
氮化鎵方案相比硅基的方案，一是需要解決問(wèn)題，如氮化鎵器件柵極耐壓、高頻所帶來(lái)的可靠性、EMI的問(wèn)題；二是需要充分挖掘優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮氮化鎵在傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中充分實(shí)現(xiàn)效率高、體積小的特性。
因此在整體的方案需要：1.充分理解氮化鎵器件的特性；2.方案層面具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力。兩者需要互相充分理解（要很懂），在研發(fā)層面互相配合迭代（要能一體化研發(fā)），才能搞定一個(gè)好的電源方案。通過(guò)氮化鎵器件、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的研發(fā)充分協(xié)同，輸出一個(gè)好的方案。
我們看到Pi和Navitas都在內(nèi)部著力于解決上述的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)硅基氮化鎵公司也在打造自己和電源管理IC公司的研發(fā)生態(tài)。
國(guó)內(nèi)硅基氮化鎵企業(yè)如何實(shí)現(xiàn)功率器件和功率IC的研發(fā)協(xié)同，是否具備較強(qiáng)的電源方案團(tuán)隊(duì)儲(chǔ)備、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、深度研發(fā)合作伙伴，需要重點(diǎn)關(guān)注。
另外，目前主流的方案包括Pi、Navitas、英諾賽科三家，三家芯片的集成度依次降低，其中Pi采用了控制器、驅(qū)動(dòng)器和GaN器件合封，Navitas采用了驅(qū)動(dòng)和氮化鎵器件的單die集成，英諾賽科采用的是氮化鎵單管，直接帶來(lái)的是三家不同的方案。目前主流的電源廠商的方案集中于上面這三種，因此擁抱主流的方案的阻力相對(duì)較小，差異化的方案需要再自建體系。
題外話和結(jié)語(yǔ)
目前有一些這樣的觀點(diǎn)：一是氮化鎵賽道不賺錢(qián)；二是氮化鎵技術(shù)門(mén)檻低，國(guó)內(nèi)在建產(chǎn)能多。
展開(kāi) 在滿載時(shí)，這款氮化鎵設(shè)計(jì)的效率將達(dá)到約94%。假如用氮化鎵器件取代硅MOSFET，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)將可實(shí)現(xiàn)約3%的效率改進(jìn)。
圖4：碳化硅與氮化鎵適配器在滿載時(shí)的效率比較
效率提高3%相當(dāng)于損耗減少至少35%。氮化鎵設(shè)計(jì)的能耗更少，產(chǎn)生的熱量減少35%。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槌跫?jí)功率開(kāi)關(guān)通常是傳統(tǒng)電源中最熱的元件。氮化鎵的散熱需求也會(huì)下降。電源體積將會(huì)更小，重量更輕，也更便攜，并且由于元件的溫度較低，電源的工作溫度將更低，擁有更長(zhǎng)的使用壽命。
如何使用氮化鎵晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)
在功率變換器設(shè)計(jì)中，分立的氮化鎵晶體管不能用作硅器件的直接替代品。氮化鎵晶體管的驅(qū)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性，尤其是在驅(qū)動(dòng)電路距晶體管有一定距離的情況下。氮化鎵器件的導(dǎo)通速度非常快，如果沒(méi)有精心優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾甚至破壞性振蕩的嚴(yán)重問(wèn)題。氮化鎵器件通常是處于“常開(kāi)”的狀態(tài)，這對(duì)于功率開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)并不理想，因此分立的氮化鎵開(kāi)關(guān)通常與一個(gè)共源共柵排列的低壓硅晶體管搭配一起工作。
為了幫助客戶實(shí)現(xiàn)可靠耐用的設(shè)計(jì)并加快產(chǎn)品上市時(shí)間，PI推出了InnoSwitch3產(chǎn)品系列。這些高度集成的反激式開(kāi)關(guān)IC已內(nèi)置用于氮化鎵初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)同步整流管的控制器。InnoSwitch3 IC具有低空載功耗，并采用名為FluxLink?的高帶寬通信技術(shù)，該技術(shù)使反饋信息可在安規(guī)隔離帶之間傳遞，絕緣性能符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。
InnoSwitch3-PD是InnoSwitch3產(chǎn)品系列的最新成員，具有初級(jí)和次級(jí)控制器以及氮化鎵初級(jí)開(kāi)關(guān)。該器件可提供完整的USB PD和PPS接口功能，無(wú)需USB PD + PPS電源通常所需的微控制器。
展開(kāi) 越來(lái)越多的人在使用手機(jī)快充充電器的時(shí)候可能不經(jīng)意間會(huì)發(fā)現(xiàn)氮化鎵（GaN）這個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞，實(shí)際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破，讓第三代半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)更多的場(chǎng)景應(yīng)用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉(zhuǎn)換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機(jī)快充、氮化鎵汽車(chē)等有了無(wú)限可能。
智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報(bào)告》（下稱(chēng)“報(bào)告”），從技術(shù)角度全面洞察分析了氮化鎵這一產(chǎn)業(yè)的誕生、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來(lái)突破。
報(bào)告顯示，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)聚焦中游，中國(guó)企業(yè)紛紛入場(chǎng)。全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。報(bào)告指出，該領(lǐng)域中美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中美日市場(chǎng)較熱。
在報(bào)告展示的氮化鎵技術(shù)的日常應(yīng)用場(chǎng)景中， 豐田與日本名古屋大學(xué)合作開(kāi)發(fā)“全氮化鎵汽車(chē)”，且目前寶馬也已經(jīng)加入氮化鎵汽車(chē)應(yīng)用這一陣營(yíng) ；與此同時(shí)， 氮化鎵快充走進(jìn)日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市 ，擁有大功率、超級(jí)快充、輕巧便捷的特點(diǎn)，支持手機(jī)、平板、PC電腦等設(shè)備充電。
氮化鎵產(chǎn)業(yè)初步形成
氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導(dǎo)體材料，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，相關(guān)器件快速發(fā)展。第三代半導(dǎo)體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍 涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導(dǎo)體器件芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)以及芯片 等主要應(yīng)用場(chǎng)景。
氮化鎵應(yīng)用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件，其 下游應(yīng)用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域。
展開(kāi) 氮化鎵，分子式為GaN，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。
GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及第二代GaAs相比，其在特性上優(yōu)勢(shì)突出。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場(chǎng)，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。
5G商用到來(lái)，射頻氮化鎵技術(shù)必不可少
射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。隨著全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的不斷增長(zhǎng)，各移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正在竭盡全力滿足爆炸式增長(zhǎng)的流量需求。通過(guò)載波聚合可以緩解移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)帶寬的需求，載波聚合和大規(guī)模多入多出技術(shù)促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射頻功放主要基于LDMOS技術(shù)，但LDMOS技術(shù)的極限頻率不超過(guò)3.5GHz，也不能滿足視頻應(yīng)用所需的300MHz以上帶寬。
因?yàn)樯鲜鲈颍鹃_(kāi)始采用射頻氮化鎵器件來(lái)替代LDMOS器件。LDMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限，這就是氮化鎵器件進(jìn)入市場(chǎng)的原因。基站應(yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。
GaN可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，對(duì)于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢(shì)。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加輕松。氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，可承受更高的工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點(diǎn)。
展開(kāi) 
氮化鎵器件的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
氮化鎵器件的最新內(nèi)容
此后，隨著新材料如砷化鎵和氮化鎵以及新器件的涌現(xiàn)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)始終遵循著摩爾定律持續(xù)高速發(fā)展，器件工藝尺寸不斷縮小，性能不斷提高。
然而，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)一步發(fā)展，將半導(dǎo)體應(yīng)用在照明方面的研究取得了很大的成果，而半導(dǎo)體產(chǎn)品具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)和響應(yīng)時(shí)間短等眾多優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Γ殉尸F(xiàn)逐漸取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的趨勢(shì)。
LCD（Liquid Crystal Display）顯示器是利用液晶顯示技術(shù)來(lái)進(jìn)行圖像表現(xiàn)的顯示裝置，從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來(lái)看，無(wú)論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD顯示器按照控制方式不同可分為被動(dòng)矩陣式LCD及主動(dòng)矩陣式LCD兩種。
LCD顯示器是一種數(shù)字顯示器,它基于液晶技術(shù)。液晶是一種類(lèi)似于晶體的物質(zhì),它能夠通過(guò)電場(chǎng)控制其光強(qiáng)度和顏色
CINNO Research 產(chǎn)業(yè)資訊，氮化鎵（GaN）晶體管作為一款具有較高輸出效率的半導(dǎo)體元件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)據(jù)（Mobile Data）通信基站、人造衛(wèi)星通信系統(tǒng)（System）等諸多領(lǐng)域。由于晶體管工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致其壽命降低、性能下滑，因此，需要采用具有較高散熱性的材料制作下層基底。但是，在目前主流的碳化硅基底上制作的晶體管在工作時(shí)，其散熱性能表現(xiàn)并不佳。
2021年開(kāi)始與湖南大學(xué)進(jìn)行深度合作，成立了產(chǎn)教融合基地，多名技術(shù)工程師被聘為湖南大學(xué)半導(dǎo)體學(xué)院客座教授，并聯(lián)合構(gòu)建功率半導(dǎo)體和集成技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、長(zhǎng)沙半導(dǎo)體技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新研究院，除了現(xiàn)有的硅基產(chǎn)品迭代升級(jí)、持續(xù)開(kāi)發(fā)，在碳化硅方面的器件設(shè)計(jì)、材料缺陷以及功率密度提升都有深厚的技術(shù)沉淀，同時(shí)專(zhuān)注于低功耗產(chǎn)品的研發(fā)和量產(chǎn)，在氮化鎵器件和氮化鎵驅(qū)動(dòng)芯片方面，也將持續(xù)投入研發(fā)。
2023年數(shù)碼圈中討論較多的莫過(guò)于65W氮化鎵（GaN）充電頭。65W快充是目前快充市場(chǎng)出貨的主流規(guī)格；氮化鎵具有高可靠性，能夠承受短時(shí)間過(guò)壓；將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
充電頭的工作原理：是將220v交流電轉(zhuǎn)化為直流電，在通過(guò)變頻的方式，將220V交流電變?yōu)?v直流電，從而為手機(jī)充電
65W快充是目前快充市場(chǎng)出貨的主流規(guī)格；氮化鎵具有高可靠性，能夠承受短時(shí)間過(guò)壓；將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
近期美闊電子推出了一款全新的氮化鎵65W（1A2C）PD快充充電器方案，該方案采用同系列控制單晶片：QR一次側(cè)控制IC驅(qū)動(dòng)MTCD-mode GaN FET(MGZ31N65
近期美闊電子推出了一款全新的氮化鎵65W（1A2C）PD快充充電器方案，該方案采用同系列控制單晶片：QR一次側(cè)控制IC驅(qū)動(dòng)MTCD-mode GaN FET(MGZ31N65-650V)、二次側(cè)同步整流控制IC及PD3.0協(xié)議IC)可達(dá)到最佳匹配。
GaN/氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料經(jīng)常被用在PD快充里面；氮化鎵（GaN）擁有極高的穩(wěn)定性，將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗
南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院（國(guó)家級(jí)）院長(zhǎng)于洪宇先生發(fā)表專(zhuān)題演講《硅基氮化鎵器件及系統(tǒng)研究與產(chǎn)業(yè)前景》。圍繞5G等應(yīng)用場(chǎng)景深度探討了硅基器件的技術(shù)發(fā)展與國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價(jià)格。
充電頭的工作原理：是將220v交流電轉(zhuǎn)化為直流電，在通過(guò)變頻的方式，將220V交流電變?yōu)?v直流電，從而為手機(jī)充電。上一代的充電頭材料是SI材料，現(xiàn)在更換為GAN材料。所以，氮化鎵充電頭，只是把以前的SI材料的充電頭中的SI材料，換為GAN。
新半導(dǎo)體的出現(xiàn)
對(duì)功率半導(dǎo)體來(lái)說(shuō),
新半導(dǎo)體的帶隙要比硅更寬,也就是要大于1.1eV,近幾年最火的是氮化鉀和碳化硅就都屬于寬帶隙半導(dǎo)體,在室溫下帶隙寬度大于2.2eV,氮化鎵的帶隙高達(dá)3.39eV,并且比硅的導(dǎo)熱性更好,在高壓下的電子遷移速度也更快,這讓氮化鎵器件的功率更大,能效也更高,現(xiàn)在氮化鎵在光電子、5G通信都有應(yīng)用
