用于電氣化的下一代 GaN發(fā)展，第一部分

GaN 半導(dǎo)體是未來節(jié)能電動汽車和 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分?？偛课挥谌鸬渎〉碌某鮿?chuàng)公司 Hexagem 正在瑞典研究機構(gòu)RISE 測試平臺 ProNano開發(fā)一種解決方案，旨在為更大的電氣化和可持續(xù)的未來做出貢獻。

Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk 和 RISE 高級項目經(jīng)理 Michael Salter 指出了這種合作的重要性，這將導(dǎo)致 Hexagem 的技術(shù)在未來的能源應(yīng)用中得到實施。

“他們已經(jīng)在研究實驗室中小規(guī)模地展示了他們的技術(shù)，但現(xiàn)在他們正在我們的實驗室將工藝轉(zhuǎn)移到更大體積的更大晶片尺寸上，以嘗試擴大技術(shù)規(guī)模，”Salter 說。

“ProNano 為我們提供的優(yōu)勢是 Hexagem 可以使用最先進的設(shè)施和工具，特別是能夠生產(chǎn) 6 英寸晶圓的 MOCVD 1，”Bj?rk 說?！巴ǔ＃@類工具很難讓初創(chuàng)公司自己融資。此外，RISE 人員在 GaN 材料、加工和表征方面擁有豐富的經(jīng)驗?！?

行業(yè)

隨著降低 CO 2 排放的社會壓力和法規(guī)的增加，從汽車到電信等行業(yè)部門正被推動投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和更多電氣化。傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)，如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，在工作頻率和速度方面存在基本限制，以及高溫和低電流性能較差。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。因此，WBG 半導(dǎo)體在許多應(yīng)用中變得越來越流行。

GaN 功率半導(dǎo)體作為下一代高性能 EV 的關(guān)鍵部件，正獲得越來越多的關(guān)注，有助于減小尺寸和重量，同時提高效率。這些考慮解決了與范圍有關(guān)的問題。工程師可以使用 GaN 來創(chuàng)建比 Si 基系統(tǒng)更小、更輕 4 倍、能量損失少 4 倍的電力電子系統(tǒng)。零反向恢復(fù)可減少電池充電器和牽引逆變器的開關(guān)損耗，以及更高的頻率和更快的開關(guān)速率等優(yōu)點。此外，降低開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗有助于減少用于 EV 充電器和逆變器等應(yīng)用的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。

氮化鎵晶圓

下一代節(jié)能半導(dǎo)體將有助于為可持續(xù)的未來創(chuàng)造新的解決方案。從長遠來看，這意味著更少的二氧化碳排放，從而改善全球變暖。許多機構(gòu)的預(yù)測表明，到 2050 年，用電量將增加到 200 TWh 以上，這是一個需要在設(shè)計層面加以關(guān)注的高數(shù)字。

半導(dǎo)體基板，或者更確切地說是晶片，其目標(biāo)是控制電流和整個終端設(shè)備的性能。圓形晶圓被切割成郵票大小的碎片，封裝在包含數(shù)百萬個晶體管的微芯片中。

大多數(shù)半導(dǎo)體由硅制成，但正在開發(fā)不同的變體以滿足能源應(yīng)用對更高效率的需求。例如，在一輛汽車中，需要 1000 多個芯片，而且這個數(shù)字很可能會增長。半導(dǎo)體的未來發(fā)展將允許通過促進集成來包含更多晶體管。

Hexagem 開發(fā)在硅晶片上使用氮化鎵的半導(dǎo)體。Hexagem 的高品質(zhì) GaN-on-silicon 開發(fā)活動旨在降低未來應(yīng)用的成本和規(guī)模優(yōu)勢。他們正在尋找更高的額定電壓要求。根據(jù) Hexagem 的說法，所提供的技術(shù)將通過利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來降低成本。

GaN-on-Si技術(shù)在發(fā)展方面的口碑并不好。它有其挑戰(zhàn)，由于 GaN 和 Si 之間的原子尺度界面上的材料特性不匹配，因此生長 GaN-on-Si 并不容易。

“該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢和挑戰(zhàn)將是提供更低的缺陷密度和增加的 GaN 厚度，以實現(xiàn) 900-1200V 功率器件，”Bj?rk 說。

制造組織越來越依賴他們同時設(shè)計產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的能力。GaN-on-Si 的主要優(yōu)勢之一是它是在硅襯底上制造的，因此它現(xiàn)在是 150 毫米寬，并計劃擴大到 200 毫米，大多數(shù)反應(yīng)器都可以容納這兩者。