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隨著功率消耗需求大增, 氮化鎵技術 世代已來臨

作者: Llew Vaughan-Edmunds


隨著技術演進,市場對高功率的需求也隨之增加,像氮化鎵(GaN)這類寬能隙半導體(Wide bandgap,WBG)的材料,正向業界展示其成為下一代功率半導體核心的潛力。這類材料耗電少,並比已發展成熟的矽材元件提供更優異的性能。訴求體積小、功率高、損耗少的消費性充電器、數據中心、5G、電動車等應用,都有望成為主要成長的市場區塊。

而化合物半導體 GaN 完全滿足了這些要求,這也成為了未來幾年這種材料是否會被採用的關鍵。GaN 比矽材具備更出色的切換性能,在切換過程中損失的熱能更少、在高溫環境下表現也較穩定,讓工程師能夠建構更小、更快而且更可靠的元件,而且相較於矽材,它對冷卻機制的需求也下降了。

功率的需求

智慧型手機

為了能以更快速度運作多個應用程式,智慧型手機也愈來愈耗電。電池可能不到一天就用完了,更別說一般型 5W 充電器有充電速度奇慢的問題。智慧型手機製造商漸漸意識到消費者對快充的需求。為了縮短充電時間,業者紛紛準備推出體積更大、功率高達 65W 的新一代充電器。利用 GaN 的高電子遷移率電晶體(HEMT)結構,業者可以將充電器的體積減半,同時使功率增至三倍,使其運作速度比矽材為主、採用超接面 MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體;SJMOSFET)設計快 20 倍。

數據中心

隨著雲端數據運算、行動性、消費性物聯網(IoT)、機器學習,以及串流服務的成長,催生出對更多的資料儲存和運算更加龐大的需求。現今 700 多萬個數據中心的總消耗功率超過 200TW,相當於在 2019 年全球用電量所佔比例約 2%,所產生的二氧化碳排放量幾乎等於全球航空業的二氧化碳排放量。這些電力中 30% 都用來冷卻這些設備或設施。提高伺服器效率並減少電力和熱耗可以大幅節省能源,進而節省電費和減少設備的碳足跡。

伺服器電源供應器由一個功率因數校正(PFC)級(例如圖騰柱),以及諧振 DC-DC(LLC 型諧振電源轉換器)級組成,輸出電壓通常是 12V。隨著高耗電的 CPU 和專用GPU 需要更高的功率,市場也趨向需要 48V 的電壓設計。電壓變高,配電導軌中的功率損耗也因此可降低 16 倍之多。GaN 可以使轉換器的每一級都受惠(圖 1):在 PFC 級,GaN 的低電容和零反向恢復特性讓圖騰柱設置變得簡單;而到了 LLC轉換器級,更快的開關速度和較少損耗,則讓磁性元件和電容都可以縮小。更精準的同步整流因為停滯時間縮減,從而讓 GaN 達到減少功率消耗的效果。


圖1.與現有的MOSFET設計相比,GaN電晶體可以大幅提高伺務器主機板的功率密度。(資a料來源:GaN Systems,2020)

電動車車載充電器

電動車的激增,也促使市場對快充和更高充電效率的需求。美國通用汽車在 1996 年推出的 EV1,其鉛酸電池只有 16.5kW。儲存的電力可供車子行駛 70-90 英里(113-145 公里),總充電時間為 7.5小時。如今,特斯拉的 Model 3 配備 80kW 鋰電池,使用特斯拉的V3 超級充電器充電 35 分鐘,續航力即可達 310 英里(499 公里)。

車載充電器(On-board charger;OBC)設在車內,電池可直接透過電源進行轉換和充電。此充電器必須充電效率夠高、夠輕而且安全。但目前一般所採用的方式為使用含有矽材的 SJMOSFET,用來調節、轉換電源,再將電源的電力移轉到電池。OBC 的大小約18*25 吋、重約 13 磅(約 6 公斤),充電效率約 94%。

下一代 OBC 正以 GaN HEMT取代 SJMOSFET,前者更高的切換率減少了系統內磁性元件、電容和散熱器的大小。整個系統也因此可以減輕 30-40% 的重量,而充電效率則可高達至 97%。

GaN 市場增長

在 2019 年之前,GaN 電源市場主要為利基應用;可是到了2019 年,GaN 開始出現在智慧型手機隨附的快速充電器(> 28W)內。因為尺寸較小、效率高,成本也具競爭力,GaN 十分適合手機及筆記型電腦使用。GaN 主要用在開關模式電源(Switch ModePower Supply;SMPS), 因為可以快速開關而且效率高。預計主要的成長領域是旅行用充電轉接器(<100W)、伺服器電源、OBC以及無線充電。我們看到 GaN 在旅行用充電轉接器領域的崛起充電轉接器領域的崛起,一旦技術在這領域獲得信任,我們預計將普及到功率更高、更關鍵的應用,例如汽車和數據中心市場(圖 2)。


圖2.電動汽車對GaN的採用有待市場對其可靠度建立信心;此可靠度將透過量產的消費性充電器和製程改善慢慢產生。(資料來源:© 2019 IHS Markit)

不過,矽半導體並不會因此被淘汰。SJMOSFET 仍會主導市場,也是前文提及區塊中的首選技術。矽技術因為已發展完善而且獲得信任,預計將進一步發展。此外,因設計者已有多年使用這些設備的經驗,我們預計技術會再按系統的複雜程度而再細分。

如今,GaN 與在 SMPS 中的SJMOSFET 競爭、在不斷電系統的高速絕緣柵雙極電晶體(Insulated-Gate Bipolar Transistor;IGBT)市場中競爭,在電信設備中則與中壓 MOSFET 競爭,而在伺務器負載點調節壓器以及同步整流方面,則與低壓 MOSFET 競爭。由於這些市場對價格十分敏感,因此預計高階市場會先引入 GaN(圖 3)。


圖3.GaN適用於高頻電源,而SiC則適用於需要更高功率和堅固的應用,例如馬達驅動和工業電源等。隨著WBG元件在市場越來越普及,採用技術的趨勢將變得更加明確。(資料來源:Yole Développement)

GaN 裝置的生產考量

製造 GaN HEMT 的每個程序都必須非常精準,才可以讓元件發揮最佳性能和可靠性。WBG 元件的快速開關、高功率密度及高崩潰電壓,需要極高品質的磊晶層和介電質沉積特性,以及精準的蝕刻和金屬沉積技術。

有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)

MOCVD 製程對製作 GaN 元件十分重要,因為多層磊晶會長在基板上。缺陷密度、晶圓內均勻度和晶圓間的可重複性,都是 MOCVD 研發的關鍵考量因素,尤其是當製程發展到 200mm 時。考慮到 GaN 和矽在膨脹期間的晶格常數和熱係數不同,想透過矽基板上長磊晶 GaN來生產穩定及安全的 HEMT,在超晶格結構和應力管理層面而言,都是個挑戰性十足的程序。

蝕刻

蝕刻也是製造 GaN 元件的關鍵製程。兩個值得注意的挑戰是GaN/AlGaN 對蝕刻材料的高選擇性,以及因 p-GaN 蝕刻而在AlGaN 出現的潛在過度蝕刻,進而導致晶圓表面粗糙,降低薄膜電阻的問題。此外,具備凹槽閘極的 HEMT 需要一定的 AlGaN 厚度,而要符合這厚度,唯有精準控制及高重複性才可以達到。原子層精準度和先進的蝕刻終點控管亦因此變得至關重要。

CVD

GaN HEMT 結構通常會具備多層場板,可減少閘極與汲極接觸面及動態 RDS(on) 的電壓峰值應力。如 SiO2 和 SiN 類的薄膜都會被用作電介質,這類薄膜必須擁有最高品質,才可以減少薄膜污染以及高溫下的熱損耗,同時改善薄膜的理想配比。此外,也必須控制薄膜應力才可避免晶圓出現彎曲情況;可透過 RF 功率以及其他製程參數來達到此目的。

事實證明,SiN 的表面鈍化可透過產生更高載流子濃度來改善二維電子氣的電導率,進而提高元件性能。如果像金屬鋁這類的替代材料,則可以利用原子層沉積技術來達成改善元件性能的目標。

物理氣相沉積法(PVD)及電鍍

GaN HEMT 是具有很高電流密度的橫向元件,因此大部分損耗都會出現在晶片表層。在一般的分離式元件封裝中,晶片底部會連接到銅導線架上。然而,矽基板的熱導性較低,導致元件的接面運作溫度較高。如果在太接近最高接面溫度的情況下運作,就會對穩定度和溫度相關特性產生不利影響(如 RDS(ON))。因此,導出晶片的熱能也變得十分重要。降低歐姆接觸電阻的植入技術有助改善散熱的問題。另外,在晶片上層沉積較厚的銅可以提高熱容量和導電性,同時固化銅導線架和橋接程序。這種做法提高了功率循環時的穩定度,也大幅降低因熱膨脹係數不相符而引起的機械應力。

結論

隨著能源需求的增長,追求更高功率效率也引起大家對 GaN 越來越高的興趣,期望 GaN 可以在轉接器、5G、數據中心和電動車充電器等高功率、高效率應用中取替矽半導體。但是,製造 GaN 元件講求優越的薄膜質量,也需要在磊晶、介電和金屬沉積以及蝕刻等製程上有極高的精準度。雖然 GaN 的市場在 2019 年前十分有限,但它已在旅行轉接器中佔有一席之地。當技術的穩定度確立,預計汽車和數據中心應用也將隨之普及。

欲知詳情,請聯絡 llew_vaughan-edmunds@amat.com

Llewellyn Vaughan-Edmunds,Power Technologies 市場策略
推廣總監