我們這一代面臨的最大挑戰(zhàn)是對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)。在許多社會(huì)變革的推動(dòng)下，全球人均用電量在過(guò)去 30 年中增長(zhǎng)了 50%。我們家中的電器越來(lái)越多，所以家里的電源插座也越來(lái)越多。我們見(jiàn)證了消費(fèi)技術(shù)的蓬勃發(fā)展：手機(jī)、電腦、筆記本電腦和手表都開(kāi)始發(fā)揮作用。我們看到了以前從未見(jiàn)過(guò)的各種尺寸的電機(jī)——從玩具到車(chē)輛的支撐系統(tǒng)，再到躺椅，再到園藝工具，再到救生帶。當(dāng)然，我們現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了電動(dòng)汽車(chē)(EV) 的時(shí)代，電動(dòng)飛機(jī)也在開(kāi)發(fā)中。預(yù)計(jì)這種數(shù)字化和電氣化趨勢(shì)將繼續(xù)并加速。

今天的數(shù)據(jù)中心使用全球約 1% 的電能。預(yù)計(jì)到 2030 年，處理、大數(shù)據(jù)分析、加密貨幣挖掘、流數(shù)據(jù)、人工智能等將消耗全球 20% 以上的電力需求，其中 7% 的電力將僅用于為數(shù)據(jù)中心供電。縱觀全局，我們看到傳統(tǒng)燃料即將耗盡——最重要的是，全球變暖。在 2016 年的《巴黎協(xié)定》中，各國(guó)承諾減少排放，許多國(guó)家現(xiàn)已正式承諾到 2050 年實(shí)現(xiàn)氣候中和或凈零排放。最近在格拉斯哥舉行的 COP26 峰會(huì)上就加強(qiáng)這些目標(biāo)達(dá)成了進(jìn)一步承諾。

功率半導(dǎo)體制造商已承擔(dān)責(zé)任，因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品是碳中和的推動(dòng)者。作為工程師，我們必須提高電源轉(zhuǎn)換效率，這需要標(biāo)準(zhǔn)芯片以外的解決方案。

圖 1顯示了硅 FET 和由兩種寬帶隙 (WBG) 材料制成的器件的理論物理極限：碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。硅顯然得益于多年的發(fā)展，但也有其局限性。對(duì)于相對(duì)較新的技術(shù)，SiC 和 GaN 的性能已經(jīng)超越了傳統(tǒng)硅的極限，并且只能改進(jìn)，因此 WBG 在實(shí)現(xiàn)未來(lái)幾十年的挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用的大門(mén)是敞開(kāi)的。

（來(lái)源：Yole Développement，“GaN Power 2021：外延、器件、應(yīng)用和技術(shù)趨勢(shì)”，2021 年）

圖 2 顯示了基于 Yole Développement 的 2021 年報(bào)告的 GaN 預(yù)測(cè)增長(zhǎng)。市場(chǎng)處于早期階段，但在未來(lái)幾年將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，到 2026 年復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò) 70%。這是一個(gè)很好的指標(biāo)，表明將需要 WBG 來(lái)解決我們的整體電力挑戰(zhàn)：在新應(yīng)用中使用電力以最負(fù)責(zé)任的方式。

要評(píng)估采用 GaN 作為一項(xiàng)新技術(shù)，我們必須考慮四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

性能：WBG 產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)和采用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾年前無(wú)法想象的性能水平——事實(shí)上，如果沒(méi)有 WBG 設(shè)備，一些新的項(xiàng)目要求是不可能實(shí)現(xiàn)的。然而，仍有大量研究和創(chuàng)新工作要做，尤其是對(duì)于 GaN，因?yàn)殡m然目前的性能水平已經(jīng)很有吸引力，但還沒(méi)有接近其理論性能極限。

成本：硅解決方案具有易于理解和接受的成本/性能水平。相比之下，今天，價(jià)格較高的 WBG 設(shè)備主要針對(duì)性能是關(guān)鍵因素的高級(jí)應(yīng)用。然而，GaN 成本將會(huì)降低，從而允許 WBG 技術(shù)的普及，正如我稍后將展示的那樣。

可用性：這是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵因素——只有在設(shè)備可用且供應(yīng)安全的情況下，新技術(shù)的實(shí)施才能變得廣泛。

可靠性：這包括所有其他考慮因素——它適用于產(chǎn)品性能、商業(yè)可持續(xù)性和可用性保證。所有這些元素都必須可靠。

多種技術(shù)選擇

我們已經(jīng)研究了兩種技術(shù)——碳化硅和氮化鎵——但是有大量的技術(shù)可供選擇，并且有適合所有技術(shù)的空間。每種技術(shù)都有自己的最佳點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)性能、成本和可用性之間的權(quán)衡來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用程序需求。特定應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)之間的界限將變得模糊，并將隨著技術(shù)沿學(xué)習(xí)曲線的進(jìn)步而移動(dòng)。當(dāng)然，由于數(shù)十年的進(jìn)化改進(jìn)，目前硅已經(jīng)廣泛普及?？紤]到正在進(jìn)行的所有研發(fā)工作和投資，GaN 將繼續(xù)進(jìn)行。

功率 GaN 已經(jīng)在許多低功率應(yīng)用中證明了其價(jià)值，有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊和更高效率的解決方案。Nexperia 正在將 GaN 推向更高的功率水平，提供從 2 kW 一直到 250 kW 的解決方案，并與客戶合作證明在 650 V 時(shí)，這些功率水平是可以實(shí)現(xiàn)的。這就是可靠性至關(guān)重要的地方，因?yàn)檫@些功率水平適合 EV 應(yīng)用，因此零件必須超出標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求并符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)展速度非?？?。以 GaN 性能為例，在不到兩年的時(shí)間里，Nexperia 推出了三代 650-V GaN FET。器件具有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高功率轉(zhuǎn)換效率、出色的開(kāi)關(guān)性能和高功率密度。Nexperia 將這種開(kāi)關(guān)性能與其成熟的銅夾封裝技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步降低 R DS( on)。

關(guān)于可靠性，Nexperia 使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)健級(jí)聯(lián)架構(gòu)。質(zhì)量測(cè)試已經(jīng)超過(guò)了 AEC-Q101 的要求——高出 4 倍——并且其測(cè)試失敗程序的測(cè)試仍在進(jìn)行中。

重申一下，作為一個(gè)行業(yè)，我們正處于功率 GaN 學(xué)習(xí)周期的開(kāi)始——我們可以期待顯著且持續(xù)的改進(jìn)。目標(biāo)應(yīng)用包括車(chē)載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器的汽車(chē)。在工業(yè)領(lǐng)域，光伏逆變器受益于 GaN，對(duì)于數(shù)據(jù)中心、5G 和工業(yè) 4.0 中的功率轉(zhuǎn)換，在需要優(yōu)質(zhì)功率轉(zhuǎn)換以及功率 GaN 具有強(qiáng)大價(jià)值主張的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。最終，即使在被視為“標(biāo)準(zhǔn)”功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的情況下，GaN 也會(huì)激增。

可擴(kuò)展性和成本

GaN-on-silicon 主要使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、現(xiàn)有工藝以及經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和可用的技術(shù)制造。Nexperia 使用專有程序處理標(biāo)準(zhǔn)硅基板以結(jié)合 GaN。它可以平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移到 8 英寸，最終轉(zhuǎn)移到 12 英寸襯底，并且已經(jīng)在兩個(gè)晶圓廠中進(jìn)行了 GaN 生產(chǎn)。關(guān)于組裝和測(cè)試，Nexperia 的新一代 650-V GaN FET 使用其銅夾封裝。這是專為具有最佳性能的高功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，并借鑒了近二十年前推出的 Nexperia LFPAK 封裝技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，該技術(shù)現(xiàn)在每年的出貨量超過(guò) 10 億件。這使得 GaN 生產(chǎn)本質(zhì)上具有成本效益并且易于擴(kuò)大規(guī)模。有一條明確的路徑可以支持大容量 WBG 設(shè)備的使用。

碳化硅等

Nexperia 正在開(kāi)發(fā)其他相關(guān)技術(shù)以應(yīng)對(duì)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。它已宣布其首款 SiC 產(chǎn)品，正在開(kāi)發(fā) IGBT 解決方案，并繼續(xù)改進(jìn)我們行業(yè)的主力產(chǎn)品 MOSFET。每個(gè)不同客戶應(yīng)用的最佳解決方案取決于平衡性能、成本和供應(yīng)。我們面臨的挑戰(zhàn)是負(fù)責(zé)任地進(jìn)行創(chuàng)新以滿足世界能源需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)凈零路線圖。

審核編輯 黃昊宇