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为什么这么多人看好氮化镓(GaN)?

2020/10/28 13:07:33
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  半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,一路上挟风带雨,好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。

  未来半导体技术的提升,除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。

  氮化镓,最早在60年代应用于LED产品,近几年在电源类产品打开市场。

  硅材料仍然是当前电源产品的主流,氮化镓定位在高功率、高电压的场景,集中在600V至 3.3kv。中低压集中在100-600V。氮化镓还具有高频无损耗开关的特性。

  目前,市场上氮化镓解决方案分为三种:

  1.分立式+外部驱动器;

  2.多片集成,开关和驱动虽然是不同的衬底,但是封装在同一个壳子里;

  3.单片集成,氮化镓的开关、驱动、其他器件作为同衬底的一个解决方案。

  分立式方案是目前最成熟的一种解决方案,氮化镓在多片集成与单片集成中体现出优势。

  GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比,其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利于提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。

  因此,利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件,这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。

  与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点。

  首先,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底。有分析预测到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的Si器件相当,届时很可能出现一个市场拐点。并且该技术对于供应商来说是一个有吸引力的市场机会,它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。

  其次,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步降低用户的使用门槛。

  正是基于GaN的上述特性,越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中,GaN都表现出了相当的渗透力。

  1.GaN在5G方面的应用

  射频氮化镓技术是5G的绝配,基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的半导体材料。

  与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高,这一点很重要,载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。

  与硅或者其他器件相比,氮化镓速度更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平,GaN具有体积小的优势。有了更小的器件,就可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的  设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是PA(Power Amplifier,功率放大器)。

  从目前的应用上看,功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成,其中又以GaAs PA为主流,但随着5G的到来,砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。

  于是,GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体,可承受更高的工作电压,意味着其功率密度及可工作温度更高,因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

  高通公司总裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰会上表示:预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波 5G 手机上市潮,首批商用 5G 手机即将登场。据介绍,5G 技术预计将提供比目前的 4G 网络快 10 至 100 倍的速度,达到每秒千兆的级别,同时能够更为有效地降低延迟。

  在5G的关键技术Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。

  同时在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。

  除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

  2.GaN在快充市场的应用

  随着电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率也随之增大,尤其是对于大功率的快充充电器,使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。

  而GaN技术可以做到,因为它是目前全球最快的功率开关器件,并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平,能够应用于更小的元件,应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸,比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。

  氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球,高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块,小巧的体积一样可以实现大功率输出,比APPLE原厂30W充电器更小更轻便。

  将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看,内置氮化镓充电器输出功率达到27W,APPLE USB-C充电器输出功率30W,两者功率相差不大,但体积上却是完全不同的级别,内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

  据不完全统计,截止2018年10月23日,市面上支持USB PD快充的手机达到52款,几乎所有主流的手机厂商都已将USB PD快充协议纳入到了手机的充电配置,其中不乏苹果、华为、小米、三星等一线大厂品牌。

  从各大手机厂商和芯片原厂的布局来看,USB PD快充将成为目前手机、游戏机、笔记本电脑等电子设备的首选充电方案,而USB Type-C也将成为下一个十年电子设备之间电力与数据传输的唯一接口,USB PD快充协议大一统的局面即将到来。

  3.GaN在无人驾驶技术中的应用

  激光雷达(LiDAR)使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言,开关速度快十倍,使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,由于可实现优越的开关转换,因此可推动更高准确性。

  这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

  在大力研发和推进自动化汽车普及过程中,汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合,有效控制成本且可以大批量生产的前提下,最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力。

  氮化镓的传输速度明显更快,是目前激光雷达应用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度,照片的锐度以及精准度。

  让我们描述道路前方的事物和变道的颜色预警。激光雷达能检测前方路段是否有障碍物存在。通过激光雷达你能够更全面地了解地形变化,一些你无法看到的地形。而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项工作,因为两者各自身上都有短板和不足。

  4.GaN在国防工业中的应用

  雷神宣布将开始在新生产的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)拦截器中使用氮化镓(GaN)计算机芯片,以取代目前在导弹发射器中使用的行波管(TWT)。雷神希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器,提高拦截器的可靠性和效率。此外,在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在拦截器的使用寿命期间更换。

  雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防御系统的支柱,用于对付飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。近些年来,雷神一直致力于推动GaN功率和效率向更高极限发展。

  新发射器具有与旧发射器相同的外形和功能,不需要额外的冷却,并且可以在通电几秒钟内运行。这意味着采用新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。

  这种发射器技术也可能会在其他导弹上看到其他测试。陆军表示有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存,在GEM-T计划中采用这些发射器能够将修复成本降低36%。

  目前,氮化镓已经拥有了足够广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术,也是全球各国争相角逐的市场,并且市面上已经形成了多股氮化镓代表势力,其中第一梯队有英诺赛科、纳微、EPC等代表企业。其中英诺赛科是目前全球首家采用8英寸增强型硅氮化镓外延与芯片大规模量产的企业,也是跻身氮化镓产业第一梯队的国产半导体企业代表。

  然而,现在还有什么是阻碍氮化镓器件发展的不利因素呢?

  两个字:太贵!

  回顾前两代半导体的演进发展过程,任何一代半导体技术从实验室走向市场,都面临商用化的挑战。目前氮化镓也处于这一阶段,成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等,而走向平民化,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。8英寸硅基氮化镓的商用化量产,可以大幅降低成本。第三代半导体的普及临近,也让我们有幸见证这一刻的到来。


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