氮化鎵（GaN）功率器件的特點、應(yīng)用及發(fā)展

任立宗 袁帥

摘要：現(xiàn)有硅功率器件已經(jīng)達(dá)到了理論極限，而第三代半導(dǎo)體材料中氮化鎵材料的基礎(chǔ)參數(shù)更加優(yōu)異，也將具有更大的發(fā)展空間。本文從GaN功率器件的基礎(chǔ)參數(shù)分析其特點和優(yōu)勢，列舉其在消費類電源和電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，最后闡述現(xiàn)有國家政策和國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：氮化鎵（GaN）;消費類電源;電動汽車;新基建。

隨著硅功率MOSFET技術(shù)的不斷發(fā)展，其參數(shù)達(dá)到了硅基器件的理論極限。而作為第三代半導(dǎo)體材料中的SiC和GaN為原材料的功率器件則是優(yōu)良的升級品。本文主要對GaN功率器件的特點、應(yīng)用和發(fā)展進行論述。

由表1得出GaN材料的特性包括禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子遷移率較高、飽和漂移速度高及導(dǎo)熱率大。高的禁帶寬度意味著具有較低的本征泄露電流和較高的工作溫度。在相同擊穿電壓下，GaN材料的高臨界擊穿電場可以使漂移區(qū)厚度可以比硅器件小1/10左右，體積更小，寄生參數(shù)更小。理論導(dǎo)通電阻與偏移區(qū)厚度成正比，與電子遷移率成反比。所以，較小的偏移區(qū)厚度和較高的電子遷移率可以使導(dǎo)通電阻進一步降低。高飽和漂移速度，說明更適合高頻工作。導(dǎo)熱率越大，說明其傳遞熱量的能力越強，則更適宜于高溫環(huán)境[1]。

綜合以上分析可知，第三代寬禁帶GaN材料具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻低，尺寸小，耐高溫等特點，所以GaN功率器件適合高頻、高溫、高效率的應(yīng)用環(huán)境，能夠有效減小系統(tǒng)尺寸，提高功率密度，并最終降低系統(tǒng)成本。

二、氮化鎵功率器件的應(yīng)用

1.消費類電源的應(yīng)用

目前，手機和電腦已成為生活的必需品，而配套電源充電器也隨之升級換代。在2018年11月6日，聯(lián)想發(fā)布了thinkplus口紅電源，標(biāo)準(zhǔn)功率輸出65W，兼容絕大多數(shù)Type-C供電的電腦和手機。在2019年9月17日，OPPO發(fā)布了一款標(biāo)配65W的GaN快充充電器。這也是第三代半導(dǎo)體GaN材料首次應(yīng)用于手機原裝快充充電器。在2020年的1月7日到1月10日的CES2020展會上，共有約30個廠商推出60多款GaN快充產(chǎn)品。接著，在2020年2月13日，小米也發(fā)布了65W的GaN快充充電器，兼容絕大多數(shù)Type-C供電的手機和電腦，將GaN充電器的應(yīng)用推向了新的高度。如表2為三款65W電源的尺寸和重量對比：

聯(lián)想口紅電源的發(fā)布在當(dāng)時引起了轟動，因為65W的功率輸出，卻足夠小的體積，將硅功率器件的密度發(fā)揮到了極致。隨后OPPO和小米65W的GaN充電器充分證明了GaN的價值。OPPO發(fā)布的GaN充電器是GaN開始大批量應(yīng)用于手機充電器，雖然重量小了一些，但是在體積上偏大一倍，功率密度甚至還不如口紅電源。短短5個月時間，小米65W的GaN充電器開始超越口紅電源，其體積和重量相比口紅電源都縮小30%以上，功率密度也提高了40%以上。相信隨著GaN功率器件的不斷發(fā)展，未來的電源充電器將更加小巧高效。

2.電動汽車的應(yīng)用

電動汽車內(nèi)部主要有充電機、雙向DC/DC變換器和車載DC/DC變換器三大電力結(jié)構(gòu)。為了增加續(xù)航和滿足汽車內(nèi)智能用電設(shè)備的增多，提升三大電路結(jié)構(gòu)的效率和功率密度一直是電動汽車的重要發(fā)展目標(biāo)。GaN功率器件的高頻、低功耗、耐高溫等特點可以使電動汽車提升效率，減小系統(tǒng)尺寸，提升續(xù)航。

在產(chǎn)品供應(yīng)方面，Transphorm公司在2017年3月，就推出了市場上僅有的一款經(jīng)過AEC-Q101認(rèn)證的650V車用GaN器件。到目前為止，已有Transphorm、Nexperia和EPC都推出了通過AEC-Q101認(rèn)證的車用GaN器件。在應(yīng)用方面，在2019年3月，以色列VisIC公司發(fā)布了最小車載充電機產(chǎn)品，該款充電機的功率密度是現(xiàn)有產(chǎn)品的3倍，充電效率達(dá)到了96%。在2019年10月，2014年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一、日本名古屋大學(xué)教授天野浩領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團隊，利用GaN材料研發(fā)的逆變器，已首次成功應(yīng)用在電動汽車上，并有望讓電動汽車節(jié)能20%以上。國內(nèi)方面，在文獻【2】中，使用GaN器件的車載DC-DC變換器與北汽新能源硅器件的車載DC-DC變換器相比，在效率相當(dāng)?shù)那闆r下，功率密度提高了51.8%。綜合以上情況，預(yù)計很快就會有使用GaN功率器件的電動汽車陸續(xù)上市。

三、氮化鎵功率器件的發(fā)展

我國在2013年的“863計劃”，2015年的《中國制造2025》，和2016年的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，都明確了大力發(fā)展GaN功率器件的方向。在生產(chǎn)制造方面，通過文獻【3】了解到，GaN功率器件的整個產(chǎn)業(yè)鏈依次是襯底、外延、設(shè)計和模塊制造。現(xiàn)階段我國在各個環(huán)節(jié)都具有代表企業(yè)。GaN襯底的企業(yè)有蘇州納維和東莞中鎵。GaN外延的企業(yè)有晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華、華功半導(dǎo)體、英諾賽科和大連芯冠。GaN設(shè)計的企業(yè)有安譜隆半導(dǎo)體、海思和中興微電子。GaN模塊制造的企業(yè)有三安集成和海威華芯。在應(yīng)用方面，GaN功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可應(yīng)用于人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、新能源汽車充電樁等“新基建”領(lǐng)域。相信依托于國家政策，GaN功率器件將得到快速發(fā)展，應(yīng)用GaN功率器件的產(chǎn)品將會大量上市，引領(lǐng)新的變革。

參考文獻：

[1] 崔梅婷.GaN器件的特性及應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué).2015：3-5

[2] 龐振進.基于氮化鎵器件的高頻車載DC-DC變換器的研究[D].南京航空航天大學(xué).2016：39-47

[2] 沈一度.GaN電力電子和射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈分析[J].集成電路應(yīng)用.2018，35（10）：91-92