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随着器件功耗的增加,氮化镓技术 正走向成熟

作者:Llew Vaughan-Edmunds


随着技术的发展,对功率的需求也在增加。氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)材料正在展示其作为新一代功率半导体骨干材料的潜力。这类材料功耗更低,性能却优于那些已趋成熟的硅器件。消费类充电器、数据中心、5G和电动汽车等应用代表着功率器件主要的增长市场,它们对器件有着相同的需求:更小的尺寸、更大的功率、更低的损耗。

化合物半导体材料氮化镓可满足所有这些需求,这将是其在未来几年得以重用的关键所在。与硅相比,氮化镓有着更出色的开关性能,开关过程中损失的热量更少,在较高的温度下也能更稳定地工作,使工程师能够制造更紧凑、更快速、更可靠的器件,同时减少对器件制冷的要求。

功率需求

智能手机

智能手机需要更大的功率,以更快的速度运行更多的应用程序,而目前的电池续航几乎无法维持一天。此外,标准人5瓦充电器充电速度极慢。智能手机生产商开始意识到消费者对快速充电的需求,并准备推出新一代的大功率充电器,提供高达65瓦的功率,能大幅缩短充电时间。使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管(HEMT)可将充电器的尺寸缩小一半,同时将功率提高到三倍,运行速度是硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管(SJMOSRET)的20倍。

数据中心

随着云计算、移动出行、物联网、机器学习和流媒体服务的发展,对大数据存储与计算处理的需求也大幅增加。因此,全球目前有700多万个数据中心在运行,耗电量超过200太瓦。这相当于2019年全球约2%的用电量,而产生的二氧化碳排放量则与全球航空业相当。在这其中,大约30%的电力用于这些设施的冷却。通过提高服务器效率,减少功率和热量损耗,可以节省大量能源,从而降低电力成本,同时减少这些设施的二氧化碳排放量。

服务器电源由一个功率因数校正(PFC)级(例如推挽电路)和一个谐振DC-DC级(LLC谐振转换器)组成。输出电压通常为12伏;不过由于高功率 CPU和专用GPU耗电更厉害,因此目前的趋势是向48伏电源发展。此外,更高的电压可将输电线路上的功耗最高减少到原来的16分之1。氮化镓技术可以让转换器的每一级都受益(图1)。对于功率因数校正级,其低电容和零反向恢复可以允许配置一个简单的推挽电路 ;对于 LLC转换器级,其更快的开关速度和更小的损耗使其可以采用更小的磁体和电容。此外,氮化镓技术使得在同步整流中死区时间最上,同时也也减少了了损耗。


图1.与现有的MOSFET设计相比,氮化镓晶体管可以大幅提高服务器主板的功率密度。(资料来源:GaN Systems,2020)

电动汽车车载充电器

电动汽车在迅猛发展,导致对更快的充电速度和更高的充电效率的需求也在增加。1996年,通用汽车公司发布了EV1电动汽车,采用16.5千瓦铅酸电池。该车的续航里程为70-90英里,充满电需要7.5小时。如今,特斯拉Model 3配备的是80千瓦锂离子电池,续航里程为310英里,使用特斯拉的V3超级充电桩,充满电只需35分钟。

车载充电器(OBC)布置在车内,通过电源转换对电池进行充电。它必须做到高效、轻便、可靠。目前常用的解决方案包括使用硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管(SJMOSFET)来调节、转换并向电池充电。它的尺寸大约为18英寸×25英寸,重量大概13磅,能能效约为94%。

新一代车载充电器将使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 取代 SJMOSFET,前者开关频率更高,从而可以缩小车载充电器中磁体、电容器和散热片的尺寸。这使整个车载充电器的尺寸和重量减少30-40%,而能效可接近97%。

不断增长的氮化镓市场

2019 年之前,氮化镓电源市场主要是在小众应用领域。但在去年,使用氮化镓技术的智能手机快速充电器(>28瓦)已经问世。其更小的外形尺寸、更高的效率和性价比,使之在手机以及笔记本电脑应用中备受青睐。氮化镓的主要应用是开关电源(SMPS),因为它可满足快速开关和高效率的需求。便携电源适配器(<100瓦)、服务器电源、车载充电器和无线充电预计是其主要的增长领域。我们现在看到,氮化镓技术开始在便携电源适配器中加速使用,一旦该技术在这一领域获得成功,我们预计它将会在更高功率、更为关键的一些应用领域得到应用,例如汽车和数据中心市场(图2)。


图2.氮化镓在电动汽车领域的应用取决于市场对其可靠性的信赖 ;氮化镓的市场化应用从消费类充电器的发展开始,并需要在大规模量产中持续进行工艺改进。(资料来源:© 2019 IHS Markit)

然而,硅材料尚未过时。SJMOSFET在市场上占据主导地位,是上述领域的首选技术。硅技术已非常成熟可靠,而且还将进一步发展。此外,设计师们在这类器件上有多年的经验 ;因此,不同的技术对应不同的市场细分,具体取决于系统的复杂程度。

如今,氮化镓正与用于开关电源的SJMOSFET、用于不间断电源的高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)、用于电信领域的中压MOSFET以及用于服务器负载点稳压器和同步整流的低压MOSFET竞争。由于这些市场对价格极其敏感,氮化镓预计将首先在在高端领域推出(图3).


图3.氮化镓适用于高频电源,而碳化硅则适用于要求更高功率和鲁棒性的应用,例如电机驱动和工业电源。随着宽带隙器件在市场上的地位越来越稳固,在技术采用上将变得更加明确。(资料来源 :Yole Développement)

氮化镓器件制造考虑因素

制造氮化镓 HEMT 所涉及的每一道工序都必须非常精确,以获得最佳的器件性能和可靠性。宽带隙器件的快速开关、高功率密度和高电压击穿,要求极高质量的外延层和电介质沉积,以及精确的刻蚀和金属沉积。

金属有机化学气相沉积(MOCVD)

MOCVD在衬底上生长各种外延层,对氮化镓器件的制造至关重要。缺陷密度、晶圆内均匀性和晶圆到晶圆的可重复性是MOCVD开发的关键考虑因素,特别是过渡到200mm时。鉴于氮化镓和硅在膨胀过程中不同的晶格常数和热系数,在硅上生长外延氮化镓以形成稳定可靠的HEMT,这从超晶格结构和应力控制方面来说是一个非常具有挑战性的工艺。

刻蚀

刻蚀也是制造氮化镓器件的关键工艺。这里存在两个明显的难题,一个是氮化镓/铝镓氮的高选择比,另一个是p型氮化镓刻蚀可能存在铝镓氮的过度刻蚀,导致表面粗糙,从而降低表面电阻。此外,带有凹陷栅极的HEMT需要一定的铝镓氮厚度,这一厚度必须是精确控制且高度可重复的。原子层精度和先进的工艺终点监测至关重要。

化学气相沉积(CVD)

氮化镓HEMT结构通常具有多层场板,以最大限度减少栅极与漏极接触处的电压峰值应力和动态RDS(on)。二氧化硅和氮化硅等薄膜用作电介质层。这些薄膜必须足够优质,以求最大限度减少薄膜污染,减少高温下的热降解,同时改善薄膜化学计量比。此外,必须控制薄膜应力以避免晶圆弯曲。这可以通过调整射频功率和其他工艺参数来实现。

氮化硅的表面钝化已被证明可以产生更高的载流子浓度,以便改善二维电子气的电导率,从而提高器件性能。三氧化二铝等替代材料通过原子层沉积来提高器件性能。

物理气相沉积 (PVD) 和电镀

氮化镓 HEMT 是横向器件,具有非常高的电流密度,因此大部分损耗发生在晶粒顶部。在普通的分立封装中,晶粒的底部会连接到铜引线框架上。然而,硅衬底的导热系数相对较低,这导致器件的工作结温较高。过于接近最大结温工作会对可靠性和温度相关特性(例如RDS(ON))产生不利影响。因此,使热传导远离晶粒是至关重要的。降低欧姆接触电阻的离子注入技术有助于改善散热。此外,在晶粒顶部沉积厚铜可提高热容量和热导率,同时有利于烧结铜引线框架和夹线。这提高了功率循环的可靠性,并显著降低了因热膨胀系数不匹配而产生的机械应力。

结论

随着能源需求的增加,对更高能效的追求正促使人们对氮化镓产生越来越大的兴趣,希望将其作为硅基半导体的替代材料,出现在适配器、5G、数据中心和电动汽车充电器等高功率、高效率应用中。然而,制造氮化镓器件需要极高质量的薄膜以及极其精密的外延、电介质和金属沉积以及刻蚀等工艺。在2019之前,氮化镓的市场非常有限,不过现在来看,氮化镓已在便携电源适配器应用中占据了一席之地,一旦该技术的可靠性得到确切验证,汽车和数据中心的应用有望随之而来。

欲了解更多信息,请联系 llew_vaughan-edmunds@amat.com

Llewellyn Vaughan-Edmunds,
电源技术战略营销总监