安森美vGaN技术解锁极致功率密度与效率

安森美 (onsemi) 的垂直氮化镓 (vGaN) 晶体管是新一代功率器件，能够以高频率处理极高电压， 效率显著优于传统的硅芯片。 这项技术在行业内处于领先水平。 安森美的这个先进设施占地 66,000 平方英尺， 配备了洁净室和高度专业化工具， 专门用于 vGaN 技术的研发。

安森美已实现vGaN技术的规模化量产

目前市面上的 GaN 器件通常采用横向结构， 即 GaN 层生长在硅或蓝宝石衬底上。 而垂直 GaN 器件的 GaN 层则生长在 GaN 衬底上。这种垂直设计允许电流直接穿过芯片， 而不是仅在表面流动;与横向 GaN 器件相比， 它能实现更高的电流密度和工作电压， 支持的开关频率也远高于硅或碳化硅 (SiC) 器件。 因此， 垂直 GaN 技术能够让电子设备更加小巧、 轻便且高效， 应用场景涵盖电动汽车 (EV) 充电器、 人工智能数据中心、 可再生能源系统等诸多领域。

研究人员对垂直 GaN 技术的探索已逾 15 年， 如今安森美已实现该技术的规模化量产， 推动其进入商用阶段。 垂直 GaN 的制造非常复杂， 需要在块状 GaN 衬底上生长厚实且无缺陷的 GaN 层， 工艺难度远超标准硅器件制造。

要实现这一目标， 需采用精密的外延生长技术， 以及针对垂直架构开发的创新工艺。 安森美拥有 130 多项相关专利， 涵盖基础器件架构与加工处理的各个方面。 这项技术在材料科学与制造领域极具挑战性， 难度堪比在人行道宽度的地基上建造摩天大楼。

趣味知识

高精准度： 晶体在高度受控的炉体中高效生长， 原子以每次仅十亿分之一米的精度逐层沉积， 实现出色均匀性。 这类炉体的工作温度超过 1,000°C， 与火山熔岩的温度相当。

晶体力量： 垂直 GaN 源于“晶体力量”：垂直 GaN 构建于六方纤锌矿晶体结构之上，镓原子和氮原子交替层叠形成六方晶格。与立方结构的硅相比， 这种结构赋予其独特的电子与光学特性。

盖楼技艺： 垂直架构就像建造电气领域的“摩天大楼”， 而不是“单层平房”。 电力可以直接穿过芯片， 而不是仅在芯片表面流动。

微缩奇迹： 堪称“微缩奇迹”：与市面上的横向 GaN 器件相比，vGaN 器件尺寸约为前者的三分之一， 可使高端电源系统的尺寸和损耗减少近 50%。 这相当于将鞋盒大小的电源转换器压缩至平装书尺寸， 实现体积和重量的双重缩减。

高压之王： 垂直 GaN 器件能够承受超过1,200 V 的电压

vGaN 的应用

安森美的 vGaN 技术能够在单片芯片中处理 1,200 V 及以上的高电压， 实现高频大电流切换， 并保持优异效率。 在采用该技术打造的高端电源系统中， 损耗可降低近 50%。 同时， 由于工作频率更高， 系统尺寸( 包括电容、 电感等无源元件) 也能相应缩减近一半。

此外， 与市面上的横向 GaN 器件相比， vGaN 器件尺寸约为前者的三分之一。 这一特性使得安森美的 vGaN 器件非常适合用于功率密度、 热性能和可靠性至关重要的关键高功率应用， 具体包括：

人工智能数据中心： 减少元件数量， 提高 AI 计算系统用800V DC-DC 转换器的功率密度， 助力大幅降低每机架成本

电动汽车： 打造更小巧、 更轻便、 更高效的逆变器， 有助于延长电动汽车续航里程

充电基础设施： 实现更快速、 更小巧、 更耐用的充电器

可再生能源： 太阳能和风能逆变器的电压处理能力更高，能量损耗更低

储能系统 (ESS)： 为电池转换器和微电网提供快速、 高效、高密度的双向电源

工业自动化： 开发尺寸更小、 温升更低、 效率更高的电机驱动器和机器人设备

航空航天： 支持更高的性能、 更强的耐用性和更紧凑的设计

随着全球加速迈向电气化和 AI 驱动的未来， 安森美在垂直 GaN 技术上的突破具有重要意义。 安森美攻克了材料和制造领域长期存在的难题， 开发出新型超高效率、 高电压功率器件， 为下一代能源系统提供关键支撑。 从缩小电动汽车充电器尺寸，到以更可持续的方式为人工智能数据中心供电， 垂直 GaN 不仅是一项重大的技术突破， 更是推动建设更智能、 更清洁、 全面电气化世界的战略性进步。