GaN技术：电子领域的下一波浪潮

在电子领域，尤其是功率电子领域，一项前沿技术正逐渐崭露头角：氮化镓（GaN）。荷兰芯片制造商 Nexperia 赞助的行业活动吸引了众多参与者，他们认为在汽车、消费电子和航空航天等领域，特别是在功率转换等应用中，GaN 技术正迎来广泛应用的机会。

例如，Kubos Semiconductor 公司正在开发一种名为立方GaN的新材料，这是氮化镓的立方晶体结构。Kubos 首席执行官 Caroline O'Brien 指出：“立方GaN不仅可以在大型晶圆（直径达150毫米或更大）上生产，还可以扩展到更大的晶圆尺寸，而且可以轻松集成到现有的生产线中。”

同时，其他公司也在不断努力扩大宽带隙（WBG）半导体在电源管理领域的应用范围。英国的电气化专家Ricardo正在积极利用GaN和碳化硅技术来拓展其电力业务。

Ricardo公司的首席工程师Temoc Rodriguez指出，特斯拉是第一家在汽车制造中采用碳化硅（SiC）来替代绝缘栅双极晶体管（IGBT）的汽车制造商，这标志着一种趋势，即更多地使用WBG材料来提高功率效率、减小功率转换器尺寸和重量。

另一方面，瑞典公司Hexagem的首席执行官Mikael Björk介绍了他们正在开发的硅基GaN技术，旨在在成本上更具竞争力，同时在未来应用中实现规模优势。Björk表示：“我们想办法使GaN达到更高的额定电压。”

Nexperia是这一行业活动的赞助商之一，他们指出每一代新的GaN技术都在性能方面稳步取得进展，这些进展有可能超越硅技术目前的成本优势。支持者认为，这些进展是因为在硅技术上的渐进改进已经无法满足新一代电子器件的需求。

应用领域广泛

随着全球对减少二氧化碳排放的压力不断增加，各行各业，从汽车到电信，都不得不投资于更高效的电力转换和电气化。硅基功率半导体技术，如IGBT，存在着工作频率和速度上的基本限制，同时在高温和低电流性能方面表现不佳。高压硅场效应管（Si FET）的频率和高温性能同样受到限制。

这些局限性促使应用设计人员考虑采用宽带隙半导体材料，如GaN。

Kubos Semiconductor的O'Brien表示：“随着设计尺寸的减小和效率的提高，我认为GaN有望在以前未被广泛采用的应用中崭露头角，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。”

其中一个关键特性是GaN的开关频率响应，特别是在高达5-10千瓦的DC/DC转换器应用中。Ricardo公司的Rodriguez补充道：“这标志着电信和能源领域的标志，同时还可以考虑在消费电子产品中应用。有许多以DC/DC转换器为核心的应用，可以提高效率并节省能源。”

除了更高的电压外，Hexagem的Björk还强调晶圆尺寸的缩小，同时优化GaN器件的生产以降低成本。Björk预测：“目前市场定位为150毫米晶圆，但未来可能扩大到200毫米晶圆，甚至可能尝试300毫米晶圆。”

然而，值得注意的是，虽然硅基GaN技术是目前应用最广泛的GaN技术之一，但在器件开发方面并不是没有挑战。

Björk说：“氮化镓和硅的晶格常数非常不同，因此它们不匹配。在将GaN置于硅上之前，您必须生长出相当先进的不同层堆叠。当你按这个要求做时，就会产生很多缺陷和过早破损的晶圆。另一个问题是GaN和硅之间的热膨胀不匹配，当你将其加热到大约1000°C时，当你冷却这两种材料时，它们会以不同的速率收缩，最终可能会破坏结构。”

不过，Nexperia的GaN应用总监Jim Honea指出，从车载充电器、DC/DC转换器到牵引和辅助逆变器等汽车应用都在利用GaN技术。霍尼亚说：“电动汽车大型电池的开发正在创造许多过去没有人想象到的应用。”

此外，Nexperia的Dilder Chowdhury指出，低Qrr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功率晶体管还可以与常见的栅极驱动电路并联使用。然而，高电压和高开关频率仍然是最大的挑战，特别是对于传统硅工程师而言。

随着电动汽车制造商寻求提高续航里程，GaN功率集成电路（IC）作为一种减小尺寸和重量同时提高效率的方法备受关注。GaN可用于设计比硅基系统小四倍、重量轻四倍的电力电子系统，其能量损失与硅基系统相当。此外，零反向恢复电荷可以减少电池充电器和牵引逆变器的开关损耗，同时还带来更高的开关频率和更快的开关速率等优点。

支持者还声称，宽带隙半导体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途径。与硅器件一样，单个GaN器件的电流处理能力仍然有上限，因此常常采用并联GaN器件的方法来优化性能。

GaN技术正在电力电子领域崭露头角，受到了广泛的关注和投资。这一前沿技术在汽车、消费电子和航空航天等领域，特别是在功率转换应用中，展现了巨大的潜力。这将有助于满足全球减排压力，推动更高效的电力转换和电气化，为未来的电子器件设计师提供了全新的可能性。