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          憑借快充出圈的氮化鎵,為什么這么火?

          作者:白柴 時(shí)間:2021-07-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:氮化鎵快充火爆的背后,除了受消費(fèi)者需求影響,是否還有其他原因?為什么快充會(huì)率先用到氮化鎵呢?

          是近兩年才進(jìn)入大眾視野,成為半導(dǎo)體行業(yè)的熱門話題之一。其實(shí),人們在很早的時(shí)候就已經(jīng)開始使用第三代半導(dǎo)體了。十年前,我國的基站射頻功放基本上就是用來做的。然而火出圈,卻是在小米10的發(fā)布會(huì)上,因?yàn)槔总姷囊活D夸加上受消費(fèi)者青睞,氮化鎵成為了手機(jī)圈的潮流。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202107/427214.htm

          氮化鎵火爆的背后,除了受消費(fèi)者需求影響,是否還有其他原因?為什么會(huì)率先用到氮化鎵呢?日前,在深圳舉辦的第九屆EEVIA年度中國電子ICT媒體論壇暨2021產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)上,聽完英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤先生的演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》,筆者找到了答案。

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          程文濤 英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)

          發(fā)表演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》

          為什么快充會(huì)先用到氮化鎵?

          日常生活中用到的電源轉(zhuǎn)換里面,第三代半導(dǎo)體是比較少見,主要原因是它的成本高。然而,快充這一產(chǎn)品本來理應(yīng)對價(jià)格非常敏感,為什么會(huì)先用到氮化鎵器件呢?

          作為第三代半導(dǎo)體,氮化鎵有三個(gè)特征:開關(guān)頻率高、禁帶寬度大、更低的導(dǎo)通電阻。它在充電器上的優(yōu)勢體現(xiàn)在:體積小,重量輕;功率密度大,效率高但不容易發(fā)熱;手機(jī)、筆記本都能充,兼容多個(gè)設(shè)備。它的這些特點(diǎn)很好的滿足了消費(fèi)者對快充的需求。除此之外,快充會(huì)先用到氮化鎵器件,還是市場催生出來的一個(gè)做法。

          “因?yàn)榈夁@種材料,到目前為止,它的誕生是有些年頭了,但是真正在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的商用規(guī)模還不夠大。規(guī)模不夠大的時(shí)候,一些潛在的可靠性的問題,就不足以把它暴露出來。用什么方式來驗(yàn)證這種東西的可靠性呢?手機(jī)的快充是最好的選擇,這就是為什么市場選擇了快充率先使用氮化鎵的一個(gè)主要原因,這也是一個(gè)很有趣的話題。當(dāng)市場通過這樣大規(guī)模的方式把新材料、可靠性驗(yàn)證了之后,我們相信應(yīng)該是很快的在一些工業(yè)領(lǐng)域,會(huì)看到更多的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用?!?程先生在演講中解釋道。

          換言之,氮化鎵是比較新的材料,還有很多失效模式并沒有被完全理解消化。若是想驗(yàn)證氮化鎵器件的可靠性,一個(gè)比較好的辦法是將其放到實(shí)際應(yīng)用中去。好不好,一用便知。當(dāng)然,應(yīng)用的規(guī)模要大,量要多,這樣才能有深入的了解。快充正好滿足了大量應(yīng)用的條件,而氮化鎵器件又滿足了快充高功率充電的需求。同時(shí),消費(fèi)領(lǐng)域不像工業(yè)、汽車等需要非常高的可靠性,現(xiàn)有的氮化鎵器件的可靠性就能滿足。氮化鎵、快充,兩者一拍即合,攜手破圈。

          什么影響了氮化鎵器件的可靠性?

          上文我們提到了氮化鎵器件的可靠性,是什么影響了它的可靠性呢?是材料本身,還是工藝問題?單就氮化鎵這個(gè)材料而言是沒什么問題的,氮化鎵器件的制作門檻也不高,但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是個(gè)好材料,可如何將氮化鎵器件做得可靠卻是難點(diǎn)。

          為什么這么說呢?讓我們看下氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)。

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          英飛凌 600V Cool器件結(jié)構(gòu)

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          典型 HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖(來源:氮化鎵科技匯)

          氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)是,在硅基襯底上往上長氮化鎵的外沿。這里要克服一個(gè)問題,就是硅是各向同性的材料,硅的失效就是電失效、熱失效,但第三代半導(dǎo)體,包括氮化鎵、碳化硅,它的失效模式跟硅完全不一樣。因?yàn)樗且粋€(gè)各向異性的材料,兩種元素化合的。它在開關(guān)的過程中會(huì)產(chǎn)生所謂的介電效應(yīng),因?yàn)榻殡娦?yīng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變,積累到一定程度就壞了。這是第三代半導(dǎo)體普遍的失效模式。要長這個(gè)外延的目的就是從硅上面慢慢過渡到氮化鎵,所以底下這些是被拿來犧牲的,底下這塊時(shí)間久了以后,里面的一些晶體結(jié)構(gòu)是注定要壞的,反正它不承擔(dān)導(dǎo)電的任務(wù),但是承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的部分,必須要被緩慢的過渡到不被介電效應(yīng)所影響。這個(gè)工藝說起來簡單,但是掌握起來非常困難。

          第三代半導(dǎo)體:提升能效的關(guān)鍵

          據(jù)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)前溫室氣體排放量的三分之二來自能源部門;全球能源需求的三分之一左右是用電需求。能效正成為實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)的重要杠桿,高能效解決方案對于促進(jìn)全球發(fā)展和滿足由此產(chǎn)生的能源需求越來越重要。

          在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,如何提高效率呢?辦法是導(dǎo)通損耗要盡可能的少。目前普遍應(yīng)用的硅基半導(dǎo)體的導(dǎo)通損耗最低能達(dá)到0.4 Ω mm2,已經(jīng)到達(dá)了它的物理極限。但是第三代半導(dǎo)體不同,它們會(huì)一直沿著降低導(dǎo)通損耗的趨勢發(fā)展。比如在交流電轉(zhuǎn)到48V的領(lǐng)域,第三代半導(dǎo)體的能效高達(dá)98%。

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          高壓半導(dǎo)體器件的Ron x A 路線圖

          放眼能源轉(zhuǎn)換,尤其是交流轉(zhuǎn)直流的部分,在節(jié)能減排方面我們能做的事情已經(jīng)不太多了。其實(shí)現(xiàn)在擔(dān)負(fù)節(jié)能減排責(zé)任更重要的是CPU跟射頻發(fā)射部分,這兩個(gè)部分的效率是整個(gè)從產(chǎn)生電到用電部分的瓶頸所在。但是在能效轉(zhuǎn)換部分,第三代半導(dǎo)體是能夠在我們有限提升的基礎(chǔ)上,再往前跨一步的關(guān)鍵因素。

          雖然現(xiàn)在電源轉(zhuǎn)換已經(jīng)達(dá)到了96%的效率,并朝著98%的效率發(fā)展,但是用第三代半導(dǎo)體,哪怕是提升了一點(diǎn)點(diǎn),節(jié)省出來的電數(shù)額也非常龐大。以英飛凌的Cool產(chǎn)品為例,如果美國的每個(gè)數(shù)據(jù)中心都是用它,那么每年可節(jié)省40億度電,減少二氧化碳排放量200萬噸。

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