将 GaN 技术推向新的阶段

氮化镓 (GaN) 是一种宽禁带半导体材料，与硅相比，它具有出色的特性和性能，包括高效率、高开关速率、出色的热管理以及小尺寸和重量。要在功率应用中大量采用基于GaN 的器件，仍然需要克服一些障碍，主要与其大批量制造和降低价格有关。 

在 PowerUP Virtual Expo 期间，Innoscience 的总经理 Denis Marcon 就这个话题做了演讲。Innoscience 是一家领先的公司，其使命是通过以最低的价格提供一流且可靠的器件，使 GaN 技术在市场上广泛应用。 

Marcon 表示，我们正在进入 GaN 技术的新阶段，需要提供大批量制造和供应安全，以支持所有出现的基于 GaN 的新应用。此外，强烈需要大幅降低 GaN 的价格，以便人们可以从该技术中受益，而无需为此支付高额溢价。Innoscience 正在通过成为全球最大的集成器件制造商来满足这些需求，该制造商完全专注于 GaN 技术。Innoscience 拥有世界上最大的专用 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆制造能力。目前，该公司每月能够提供10,000片晶圆。这将在今年晚些时候达到每月 14,000 片 8 英寸晶圆，到 2025 年每月将超过 70,000 片晶圆。 

多年来，GaN 技术取得了长足的进步。直到 2010 年左右，公司都忙于证明这项创新技术的研发阶段。第二阶段，从 2010 年到 2015 年，第一批设备出现在市场上。这代表了一个巨大的变化，允许人们购买 GaN 器件并开始在实际项目中使用它们。第三阶段开始于 2015 年左右，当时系统工程师意识到 GaN 不是即插即用的。他们不能仅仅用 GaN 代替硅来获得更好的系统；相反，他们不得不重新设计他们的产品，以利用 GaN 提高的性能。 

“今天，我们正在进入第 4 阶段，我们需要专注于 GaN 的降价、供应安全和大规模制造，以支持所有这些即将出现的新应用，”Marcon 说。 

如图 1所示，Innoscience 实现这些结果的方法是使用配备高通量硅制造工艺的大型制造能力。Innoscience 计划中的第二个要素是通过使用更大的晶圆尺寸（从 6 英寸到 8 英寸）来增加每个晶圆的好管芯数量，降低特定导通电阻 (R DS( on) )（这意味着更小的设备），最后增加了每个晶圆的好管芯数量（良率）。 

图 1：Innoscience 的 GaN 量产和降价方法 

“我们位于珠海的初始晶圆厂已通过汽车认证，并且已经配备了 4k wpm [每月晶圆]，”Marcon 说。“我们在苏州建立了第二家晶圆厂，比珠海大 16 倍。今天，它配备了 6k wpm，但在工厂完成后，它将提供 65k wpm。我们所有的晶圆厂都使用硅制造线，以利用长期以来优化硅制造工艺的进步历史。” 

关于 GaN FET 本身，Innoscience 已经能够降低特定的 R DS( on)，引入了公司所谓的“应力增强层”，该层在栅极形成后沉积。通过这样做，Innoscience 能够增加 2D 电子气 (2DEG) 密度，从而降低 2DEG 电阻，而不会影响其他参数，例如阈值电压或泄漏。图 2显示了参考 GaN（HEMT-A，黑色）和具有应力增强层（HEMT-B，蓝色）的 Innoscience GaN 器件的阈值电压几乎相同，而导通电阻为第二个设备显着减少。 

图 2：通过加入应力增强层来降低导通电阻 

Innoscience还进行了大量工作，以优化外延和器件处理的产量。RDS（on）已被证明均匀分布在整个晶圆上的10000多个设备上。同样的行为也适用于非稳态泄漏特性，该特性具有非常平坦的曲线，在晶片边缘只有很小的偏差。这两个参数都表现出良好的晶片间再现性。

在应用方面，Innoscience最大的成功之一是USB电力传输（PD）充电器，迄今已售出3000多万台设备。InnoGaN技术允许设计者在更小的尺寸内提供更多的功率，提高功率密度。与硅基解决方案相比，45 W GaN基局部放电充电器的效率为95.1%，损耗为2.5 W，硅基解决方案的效率约为88%，损耗为6.1 W。InnoGaN器件的频率比硅高10倍，功率密度比硅高4倍，能效比硅高50%。

另一个相关应用是数据中心。图3显示了提供数据中心所需电压水平所需的步骤。第一级是交流/直流转换器，基本上将输入277 VAC转换为48 VDC，标称功率为3 kW。在移动到48伏之后，需要进一步转换，以将48伏直流电降低到12伏直流电或5伏直流电，在这里，我们讨论的是一个300到600瓦的转换器。然后是最后一步，从12 VDC或5 VDC下降到1 VDC。在所有这些转换阶段，氮化镓允许您缩小转换器的尺寸并提高其效率。

图3：中心中涉及的功率转换阶段

“有了氮化镓，在最大输出电流下，我们能够减少10%的功率损耗，”Marcon说。“这意味着，运行该数据中心的能源费用将减少10%。从长远来看，这意味着，只要采用这种架构，到2030年，你就可以节省100太瓦时的能源。这相当于20座核反应堆。”

如前所述，Innoscience 的晶圆厂已经获得了汽车零部件生产的认证，并且 Innoscience 已经在与汽车客户合作，以便在今年准备好符合汽车标准的设备。汽车 GaN 应用包括 DC/DC 高压转换器 (650 V/950 V)、DC/DC 48-V/12-V 转换器、车载充电器和激光雷达。与传统的 100-V 硅 MOSFET 相比，100-V InnoGaN 器件的开启速度快 13 倍，脉冲宽度窄 15 倍。这允许设计人员将两个设备放在同一个芯片上，每个设备独立驱动一个激光器，从而产生更便宜、更小、更简单的 LiDAR 解决方案。 

“由于我们针对大规模制造和使用高通量硅制造设施而优化的 GaN 技术，我们正在准确地满足市场需求，我们的目标是让 GaN 技术在尽可能多的应用中无处不在，”Marcon 总结道。 

审核编辑 黄昊宇