憑借快充出圈的氮化鎵，為什么這么火？

氮化鎵是近兩年才進(jìn)入大眾視野，成為半導體行業(yè)的熱門(mén)話(huà)題之一。其實(shí)，人們在很早的時(shí)候就已經(jīng)開(kāi)始使用第三代半導體了。十年前，我國的****射頻功放基本上就是用氮化鎵來(lái)做的。然而氮化鎵火出圈，卻是在小米10的發(fā)布會(huì )上，因為雷軍的一頓夸加上受消費者青睞，氮化鎵快充成為了手機圈的潮流。

氮化鎵快充火爆的背后，除了受消費者需求影響，是否還有其他原因？為什么快充會(huì )率先用到氮化鎵呢？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(tīng)完英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部市場(chǎng)總監程文濤先生的演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》，筆者找到了答案。

程文濤 英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部市場(chǎng)總監

發(fā)表演講《低碳互聯(lián)時(shí)代的第三代半導體技術(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換里面，第三代半導體是比較少見(jiàn)，主要原因是它的成本高。然而，快充這一產(chǎn)品本來(lái)理應對價(jià)格非常敏感，為什么會(huì )先用到氮化鎵器件呢？

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

“因為氮化鎵這種材料，到目前為止，它的誕生是有些年頭了，但是真正在功率轉換領(lǐng)域的商用規模還不夠大。規模不夠大的時(shí)候，一些潛在的可靠性的問(wèn)題，就不足以把它暴露出來(lái)。用什么方式來(lái)驗證這種東西的可靠性呢？手機的快充是最好的選擇，這就是為什么市場(chǎng)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(huà)題。當市場(chǎng)通過(guò)這樣大規模的方式把新材料、可靠性驗證了之后，我們相信應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體應用?！?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(méi)有被完全理解消化。若是想驗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)際應用中去。好不好，一用便知。當然，應用的規模要大，量要多，這樣才能有深入的了解?？斐湔脻M(mǎn)足了大量應用的條件，而氮化鎵器件又滿(mǎn)足了快充高功率充電的需求。同時(shí)，消費領(lǐng)域不像工業(yè)、汽車(chē)等需要非常高的可靠性，現有的氮化鎵器件的可靠性就能滿(mǎn)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(wèn)題？單就氮化鎵這個(gè)材料而言是沒(méi)什么問(wèn)題的，氮化鎵器件的制作門(mén)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(shuō)呢？讓我們看下氮化鎵器件的結構。

英飛凌 600V CoolGaN器件結構

典型GaN HEMT器件結構示意圖（來(lái)源：氮化鎵科技匯）

氮化鎵器件的結構是，在硅基襯底上往上長(cháng)氮化鎵的外沿。這里要克服一個(gè)問(wèn)題，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是電失效、熱失效，但第三代半導體，包括氮化鎵、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一樣。因為它是一個(gè)各向異性的材料，兩種元素化合的。它在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生所謂的介電效應，因為介電效應會(huì )產(chǎn)生機械形變，積累到一定程度就壞了。這是第三代半導體普遍的失效模式。要長(cháng)這個(gè)外延的目的就是從硅上面慢慢過(guò)渡到氮化鎵，所以底下這些是被拿來(lái)犧牲的，底下這塊時(shí)間久了以后，里面的一些晶體結構是注定要壞的，反正它不承擔導電的任務(wù)，但是承擔導電任務(wù)的部分，必須要被緩慢的過(guò)渡到不被介電效應所影響。這個(gè)工藝說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是掌握起來(lái)非常困難。

第三代半導體：提升能效的關(guān)鍵

據數據顯示，當前溫室氣體排放量的三分之二來(lái)自能源部門(mén)；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)現全球氣候目標的重要杠桿，高能效解決方案對于促進(jìn)全球發(fā)展和滿(mǎn)足由此產(chǎn)生的能源需求越來(lái)越重要。

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

高壓半導體器件的Ron x A 路線(xiàn)圖

放眼能源轉換，尤其是交流轉直流的部分，在節能減排方面我們能做的事情已經(jīng)不太多了。其實(shí)現在擔負節能減排責任更重要的是CPU跟射頻****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。但是在能效轉換部分，第三代半導體是能夠在我們有限提升的基礎上，再往前跨一步的關(guān)鍵因素。

雖然現在電源轉換已經(jīng)達到了96%的效率，并朝著(zhù)98%的效率發(fā)展，但是用第三代半導體，哪怕是提升了一點(diǎn)點(diǎn)，節省出來(lái)的電數額也非常龐大。以英飛凌的CoolGaN產(chǎn)品為例，如果美國的每個(gè)數據中心都是用它，那么每年可節省40億度電，減少二氧化碳排放量200萬(wàn)噸。