GaN，下一代黑科技材料
来源：低太配电研发组
低压配电研发组注：氮化镓 (GaN) 相比于硅材料具备决定性的优势。尤其是相较于硅 MOSFET，氮化镓材料具备更高的临界电场、独有且出色的动态导通电阻、更低的电容，使其尤为适用于功率半导体器件，让 GaN HEMT 成为高速开关的理想之选。氮化镓晶体管可以在缩短死区时间的情况下工作，从而提高效率，并实现被动冷却。在高开关频率下工作可以缩小被动器件的体积，从而提高了 GaN HEMT 的可靠性和整体功率密度
据荷兰芯片制造商Nexperia最近赞助的行业活动的参与者称，汽车、消费和航空航天应用中的功率转换等应用正在利用氮化镓 (GaN)技术的优势。
例如，Kubos Semiconductor 正在开发一种名为立方氮化镓的新材料。“它是氮化镓的立方体形式，我们不仅可以在 150 毫米及以上的大规模晶圆上生产它，而且有可能它们可以扩展到更高的晶圆尺寸，并且可以无缝地插入现有的生产线。” Kubos 首席执行官 Caroline O'Brien 说。
其他人正在努力扩大宽带隙 (WBG) 半导体在电力管理中的应用范围，英国电气化专家里卡多正在使用 GaN 和碳化硅技术扩展其电力工作。
Ricardo 的首席工程师 Temoc Rodriguez 指出，特斯拉是第一家使用SiC 代替绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的汽车制造商，这引发了一种趋势，即更多地使用 WBG 材料来提高功率效率，同时减小功率转换器的尺寸和重量。
在其他地方，Hexagem 首席执行官 Mikael Bj?rk 描述了这家瑞典公司开发的 GaN-on-silicon 技术，旨在降低成本，同时增加未来应用中的扩展优势，“我们正在寻求更高的额定电压要求，”Bj?rk 说。
活动赞助商 Nexperia 指出，每一代新一代 GaN 技术都在继续稳步提升性能，这些提升可能超过硅目前的成本优势，支持者认为，这些进步是因为硅技术的渐进式改进是微不足道的。
应用
随着降低 CO 2 排放的压力越来越大，从汽车到电信等行业都被推动投资于更高效的电力转换和电气化，IGBT等硅基功率半导体技术在工作频率和速度方面存在基本限制，它们还表现出较差的高温和低电流性能，高压 Si FET 的频率和高温性能同样受到限制。
这些限制促使更多应用设计人员考虑 WBG 半导体。
Kubos Semiconductor 的 O'Brien 表示：“在应用市场中，随着在更小设计占用空间方面的改进，以及由于更高的效率，我认为 GaN 能够实现以前未被认可或普及的应用，例如小型基站。” ， “对于较小的系统设计来说，这是一个真正的机会。”
一个关键特性是开关频率响应，特别是在 DC/DC 转换器高达 5-10 kW 的应用中，“这是一种可以在电信和能源领域以及消费电子产品中考虑的标志，”Rodriquez 补充道，“有很多应用以 DC/DC 转换器为中心，以提高它们的效率并节省能源”。
除了更高的电压外，Hexagem 的 Bj?rk 在优化 GaN 器件的生产以降低成本的同时强调了晶圆的缩放，“目前，150 毫米晶圆是市场主流，但未来 [生产] 可以扩大到 200 毫米晶圆，而且，谁知道呢，可能会尝试 300 毫米的晶圆，”Bj?rk 预测道。
GaN-on-Si 技术是应用最广泛的技术之一，但在器件开发方面的声誉并不好。
“氮化镓和硅具有非常不同的晶格常数，因此它们不匹配，”Bj?rk 说。“在将 GaN 置于硅上之前，您必须先生长相当先进的不同层堆栈，当你这样做时，你会产生许多有害的缺陷、错位、损失和过早断裂。
“另一个问题是 GaN 和硅之间的热膨胀不匹配，”他补充道，“当你将温度升至 1,000?C 左右时，当你冷却这两种材料时，它们会以不同的速度收缩，最终可能会破坏结构。”
同时，从车载充电器和 DC/DC 转换器到牵引和辅助逆变器的汽车应用都在使用 GaN 技术，Nexperia 的 GaN 应用总监 Jim Honea 说，“电动汽车大型电池的开发正在创造许多过去没有人想象过的应用，”Honea 说。
此外，Nexperia 的 Dilder Chowdhury 指出，低 Q rr或反向恢复电荷有助于简化滤波器设计，从而提高开关性能，GaN 功率晶体管也可以与公共栅极驱动电路并联使用，高电压和开关频率是最大的挑战，尤其是对硅工程师而言。
随着电动汽车制造商寻求提高行驶里程，GaN 功率 IC 作为一种在提高效率的同时减小尺寸和重量的方法正在获得吸引力。
GaN 可用于设计功率电子系统，与基于硅的系统相比，体积小四倍、重量更轻、能量损失相当，零反向恢复可降低电池充电器和牵引逆变器中的开关损耗，以及更高的频率和更快的开关速率是其中的好处。
此外，降低开关中的导通和关断损耗有助于减少电动汽车充电器和逆变器等应用中电容器、电感器和变压器的重量和体积。
支持者还声称，WBG 技术为电源转换设计人员提供了提高效率和功率密度的新方法，与硅器件一样，单个 GaN 器件的电流处理能力仍然有上限，并行实施 GaN 器件是一种常见的方法。
Honea说，然后可以缩放GaN尺寸，“通过并联 GaN 晶体管，我们可以扩展功率，然而，如果你把它们并联起来，就会放大共振，你必须确保不会激发和放大它们。”
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