第三代半導體材料

氮化鎵(Gallium Nitride;GaN)是一種直接帶隙半導體材料,硬度很高。氮化鎵的帶隙為3.4eV,而現今最常用的半導體材料矽的帶隙為1.12eV,因此氮化鎵在高功率和高速元件中具有比矽元件更好的性能。

另外,氮化鎵對電磁輻射的敏感性較低,氮化鎵元件在輻射環境中顯示出很高的穩定性。相比砷化鎵(GaAs)電晶體,氮化鎵電晶體可以在高得多的溫度和電壓下工作,因此是理想的微波頻率功率放大元件。

作為第三代半導體材料,氮化鎵的研究和應用已經有20多年的歷史,但直到最近幾年才開始凸顯其商業化的發展前景,5G無疑是背後的主要驅動力之一。5G通訊的射頻前端有著高頻和高效率的嚴格要求,這正是氮化鎵的用武之地。另外,汽車電動化和可攜式電子產品快速而高效的充電需求也將驅動氮化鎵功率元件走向大眾市場,逐漸替代傳統的矽功率元件。

5G為氮化鎵打開應用「閘門」

5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化,無論是矽襯底還是碳化矽(SiC)襯底,氮化鎵都將獲得快速發展。從2G到5G,通訊頻率在不斷的向高頻發展,因此基地台及通訊設備對射頻元件高頻性能的要求也不斷提高。在此背景下,氮化鎵必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度,以及優越的整合度成為5G技術的核心元件。

據市場調研公司Yole Développement預測,全球氮化鎵射頻元件的市場規模到2024年將超過20億美元,其中無線通訊和軍事應用佔據絕大部分。

20190912NT61P1 圖1 氮化鎵射頻元件的市場規模預測。(圖片來源:Yole Développement)

氮化鎵向來以較高的功率處理能力而著稱,是基地台、雷達和航空電子等無線通訊設備的首選放大器,在4G通訊系統中也已經使用多年。在5G行動通訊系統中,基地台和手機終端的資料傳輸速率比4G更快,調變技術的頻譜利用率更高,這對射頻前端元件和模組提出了更高的要求。

氮化鎵對比矽基LDMOS和GaAs

在射頻前端應用中,矽基LDMOS元件和GaAs仍是主流元件,氮化鎵相對於它們有什麼優點和缺點呢?成都氮矽科技創始人兼CTO羅鵬認為,氮化鎵的高頻特性要優於GaAs和LDMOS。LDMOS只能用於3.5GHz以下的應用,GaAs雖然可以做到40GHz,但所能提供的功率非常有限,需要多級放大疊加才能達到功率指標,所以元件尺寸通常比較大。而氮化鎵在高頻下依然可以保證高功率,從而可大大減少電晶體的數量和元件的尺寸。

此外,氮化鎵的帶隙電壓比矽基LDMOS元件和GaAs都高,氮化鎵可以工作於28V或更高的電壓,而GaAs工作電壓為10V,LDMOS約為6V。AMCOM通訊CTO Ho. Huang認為,氮化鎵具有更高的輸出功率性能,特別適合長距離通訊的大功率應用。

意法半導體(ST)新材料和電源配置事業部的創新和關鍵專案戰略行銷總監Filippo Di Giovanni表示,在現今的射頻前端電路中,GaAs仍然是高頻小訊號元件的選擇基準,因為這種應用需要低雜訊係數。在這些應用中,GaAs取代了LDMOS元件,基於GaAs的MMIC晶片整合開關和放大器已經廣泛用於智慧型手機和平板電腦等電池供電的可攜式設備。對於給定的輸出功率,雖然GaAs放大器的線性和失真度通常優於氮化鎵放大器,但可以透過數位預失真技術協助氮化鎵在高頻下實現線性化。他預測,隨著氮化鎵技術向更小的製程節點演進,在達到0.15μm閘長時,氮化鎵將挑戰GaAs元件在可攜式無線應用中的主導地位。

20190912NT61P2 圖2 氮化鎵在通訊基地台中的應用趨勢。(資料來源:Yole Développement)

相對於GaAs和矽基LDMOS,氮化鎵的成本依然過高,特別是在射頻應用中多以SiC為襯底的情況下。GaAs和矽基LDMOS現有的晶圓製程可以做到8吋,甚至10和12吋,但是GaN-on-SiC的主流晶片依然是6吋。雖然早在2015年業界已經成功將氮化鎵生長在8吋的SiC上,但是良品率不高使得成本居高不下,依然不如6吋。

氮化鎵的成本劣勢阻礙了它的快速發展,但其發展前景仍然樂觀。現在業界一些公司,包括Macom和中國的英諾賽科,正在將低成本的GaN-on-Si應用在射頻元件上,隨著製造製程的提升和成本的下降,相信氮化鎵必將取代GaAs和LDMOS,現階段5G產業仍然需要傳統矽基半導體和新興第三代半導體的相互補充和共存發展。

包絡追蹤(ET)技術需要氮化鎵支援

在一個典型的基地台中,50%的電能是功率放大器(PA)消耗掉的,同時還需要體積較大的散熱系統來處理額外的熱量。雖然提高能效和減少散熱量一直是無線通訊產業的要求,但對於2G/3G/4G網路並非是當務之急。對於5G網路就完全不同了,營運商希望頻譜利用率更高,5G基地台部署的密度也比以前更大,因此要求射頻訊號的峰值平均功率比(PAPR)更高。然而,隨著PAPR的增大,PA的效率就會降低。

在以前的2G系統中,調變方案僅針對工作頻率和相位,但沒有在幅度裡載入任何資訊,換句話說,包絡是恆定的。3G、4G和5G技術則採用不同的調變方法,包絡不再是恆定。實際上,電源電壓和射頻輸出訊號之間的差異非常大,致使恆壓供電的線性功率放大器(LPA)無法實現高能效。為應對這一挑戰,包絡追蹤技術就被導入了。

據EPC創始人兼CEO Alex Lidow介紹,使PA獨立於PAPR而保持效率的一種方法是,僅在PA需要時才為其供電,即在峰值時提供高電壓,而在谷值時供應低電壓。利用eGaN FET來實現包絡追蹤以便保持通訊系統的PA效率已經超過5年。

20190612NT61P3 圖3 包絡追蹤技術提高能效的示意圖。(資料來源:EPC)

包絡追蹤技術透過調變LPA的電源電壓,追蹤射頻訊號的包絡,從而提高汲極能效(DE)。這將考驗包絡追蹤的電源性能,因為PAPR比值和包絡訊號頻寬變大了。為了提高能效,需要用開關式轉換器代替線性轉換器。這些轉換器的開關頻率非常高,因為所追蹤的無失真包絡訊號的頻寬非常寬。例如,對於20MHz(4G網路)的頻寬,轉換器的開關頻率就要達到200MHz;5G的包絡頻寬高達100MHz,轉換器的開關頻率要求更高。

當開關頻率非常高時,傳統矽基功率開關的性能受到高損耗和低能效的拖累,就顯得力不從心。而氮化鎵元件具有較低的寄生電容和更好的熱性能,因此更適合這些高頻應用。Giovanni認為,受到5G青睞的包絡追蹤技術將為氮化鎵開啟快速發展之門。

氮化鎵在電源管理的性能優勢

氮化鎵是一種寬能隙(WBG)半導體材料,與傳統的矽半導體材料相比,它能夠讓功率元件在更高的電壓、頻率和溫度下運作。在電源管理應用上,氮化鎵的優勢包括:

1.傳導損耗小,能效高。氮化鎵電晶體的導通電阻(Rds,on)是傳統矽元件的一半,在相同輸出電流下損耗更小,能效更高。低損耗同時意味著低發熱,從而可以有效地簡化散熱元件和熱管理系統設計;

2.氮化鎵電晶體內不含體二極體,沒有反向恢復損耗;

3.氮化鎵電晶體的輸入電荷非常小,幾乎沒有閘極驅動損耗;

4.氮化鎵功率元件可以支援更高的開關頻率(氮化鎵:1MHz,矽:< 100KHz),從而減小被動元件的體積;

5.氮化鎵元件的功率密度很大,能夠達到矽基LDMOS的四倍以上,在減小體積的同時可以增加輸出功率。

英飛凌(Infineon)大中華區電源管理及多元電子事業處資深行銷經理陳清源對同為第三代半導體材料的氮化鎵和SiC的優缺點進行了對比,二者都具有快速開關性能,有助於提高效率,但是氮化鎵比矽的損耗低。在應用場景下進一步對比可以發現,在高功率和更高壓應用場景下,SiC體現出很好的成熟度和性價比;而在100V~600V的低中壓應用中,氮化鎵就能夠發揮出更高的性價比。就結構來看,氮化鎵是橫向結構(比如JFET),很難達到SiC MOSFET(垂直結構)的高電壓能力。

氮化鎵對於本徵是常關的開關更具吸引力,它代表著迄今所用的全部矽電晶體的後續技術。此外,從整體系統的角度考慮,氮化鎵的優勢在於能夠使拓撲結構變得更加緊湊。英飛凌研發的CoolGaN系列產品是一種氮化鎵增強模式高電子遷移率電晶體(E-HEMT),非常適合高壓下執行更高頻率的開關,可以做到設計輕薄、功率密度進一步提高,從而使轉換效率有更大的提升,降低整個系統的成本。

安森美半導體(ON Semiconductor)戰略行銷總監Yong Ang進一步解釋,氮化鎵元件相比矽元件的寄生電容低,因而可以降低門極電荷Qg相關的開關損耗,使開關頻率提高到幾百kHz至MHz範圍,而不降低能效。與矽功率元件不同,氮化鎵因為沒有體二極體,在鋁鎵氮(AlGaN)/氮化鎵邊界表面的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導電流,但沒有反向恢復電荷QRR,非常適合硬開關應用。由於氮化鎵對過電壓的敏感性和相對於矽非常有限的雪崩能力,特別適合半橋拓撲,其中漏源電壓鉗位元到軌道電壓。氮化鎵在諧振LLC、主動鉗位反馳,以及硬開關圖騰柱PFC等零電壓開關(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。

氮化鎵功率元件市場驅動力

根據IHS市場研究報告預測,氮化鎵功率元件的市場增長快速,每年CAGR超過30% ,預計到2027市場規模將超過10億美元。除5G通訊市場外,汽車和工業市場也是氮化鎵功率元件的主要驅動力。即便在價格敏感的消費電子市場,氮化鎵也帶來了一股清新力量。比如低功率的快充充電器,已經有多家廠商成功地將實驗室中的氮化鎵產品投放到市場,其中包括Anker的30W 氮化鎵充電器,因為採用了來自Power Integration的氮化鎵晶片PI SC1933C,其體積比蘋果(Apple)官方20W充電器縮小了40%。

20190912NT61P4 圖4 採用氮化鎵元件的充電器體積比傳統矽元件充電器縮小40%。(圖片來源:Anker)

而最近上市的Anker PowerCore Fusion PD超級充則採用了納微半導體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率晶片。據納微半導體FAE和技術市場總監黃萬年介紹,氮化鎵元件相對矽元件可以將開關頻率提高10倍,大大縮小被動元件的體積,特別是磁性元件,從而使得充電器的體積成倍的縮小。對於同樣大小的手機充電器,相對傳統矽方案,基於氮化鎵的方案可以做到快5倍以上的充電速度。對於大功率無線充電的應用,氮化鎵的高頻特性也可以進一步提升系統效率。

20190912NT61P5 圖5 採用氮化鎵元件的快充充電器PCB。(圖片來源:Anker)

現在大部分智慧型手機的無線充電都是採用無線充電聯盟(WPC)的Qi無線充電標準,但其充電速度慢,而且要求發射端和接收端要精確對齊,因此用戶體驗不是很好。磁共振是一種可以解決這些問題的解決方案,基於這一原理的Airfuel標準可以更快的速度為手機、平板、可穿戴設備及筆記型電腦等電子設備充電。這種無線充電標準採用6.78MHz頻率,這對矽基MOSFET元件是個挑戰。Lidow認為eGaN FET元件和晶片可以更好地應對這一挑戰,讓系統效率達到有線充電方案的水準。矽基MOSFET元件的實際充電效率只有60~70%,而eGaN元件可以達到80~90%。

氮化鎵在設計和製造製程的技術挑戰

氮化鎵元件無疑受益於現有類似CMOS的晶圓製造製程,而且在不久的將來會遷移到8吋晶圓生產線。但是,在氮化鎵上做外延層比在矽MOSFET上更複雜,並且外延層對元件的動靜態電性能的影響更明顯。不同的廠商使用不同的功率氮化鎵元件,每種方案都有不同的閘極驅動器、電流崩塌效應和封裝。

在製造方面,因為氮化鎵和襯底材料矽的晶格匹配度差,生長時會出現崩塌而導致良品率低。在設計方面,氮化鎵電晶體(增強型氮化鎵)的閘極需要驅動才能做到正常的開關,而氮化鎵的閘極電壓閾值和最大電壓都很小,所以非常容易誤開啟,在設計上有非常大的難度。

陳清源認為,氮化鎵元件所面臨的主要挑戰是可靠性、成本及驅動等問題。氮化鎵是常開型元件,難以被客戶所應用和接受,因為用戶已經習慣於矽元件的常閉型設計理念。為了解決這一設計問題,英飛凌在技術細節和製程上做了一些改進,在閘極加了P-,做出了市場比較容易接受的常閉型元件。另一方面,氮化鎵的動態導通電阻Rds(on)是業界所面臨的棘手問題,原因是很多電子在開關的時候被汲極的電子陷在裡面不流通。英飛凌透過導入P-中和表面的電子,從根本上解決了這個技術難題。

另外,氮化鎵功率元件的驅動也要考慮一些特殊性。首先,氮化鎵一定要有一個穩態的導通電流來保持它的開通,然後需要負脈衝來關斷,這就對電源驅動設計造成了極大的挑戰。並非所有的設計公司都有很好的研發能力來驅動氮化鎵元件,如果驅動不好,它的優勢就不能最大化。

中國廠商在氮化鎵市場機會

目前,氮化鎵增長最快的要數快充市場。隨著手機電池容量的不斷增加,大功率的快充變得越來越重要,而傳統矽材料受限於體積,以及功率密度的極限無法滿足市場需要,氮化鎵透過自身的優勢迅速吸引了市場。但是,目前中國氮化鎵功率應用市場還處於起步階段,市場對於氮化鎵的認識還不夠,並且氮化鎵自身的成本還太高。但隨著矽基氮化鎵成本的降低,以及可靠性的大幅提高,採用氮化鎵材料的快充充電器必將成為產業的主流。

同時,氮化鎵在大功率市場的需求也非常巨大,尤其在5G基地台供電模組,以及新能源車輛車載充電(OBC)領域,中國和國際廠商都將目光瞄準了這些市場。隨著汽車的電動化,氮化鎵在汽電領域的應用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動車市場之一,這也將促進氮化鎵元件在中國市場的應用發展。

羅鵬認為,目前中國氮化鎵供應商並不多,有很多公司是將建立氮化鎵製程線作為宣傳噱頭,真正能夠量產氮化鎵功率或者射頻晶片的公司如鳳毛麟角。原因在於氮化鎵生產線技術門檻和生產成本過高,而且氮化鎵市場目前並不成熟,應用設計公司依然偏少。同時也應該看到,中國依然有像珠海英諾賽科和廈門三安整合這樣的氮化鎵供應商,在努力降低氮化鎵的製造成本,同時不斷提高氮化鎵的性能。

結語

從市場應用來看,在未來相當長一段時期內,矽元件仍是市場的主流,而在一些矽材料所不能達到的高性能產品中,SiC和氮化鎵可以作為很好的技術補充。所以矽、SiC和氮化鎵的市場會同時、同步發展,不可或缺。雖然氮化鎵在設計和製造製程上還面臨諸多挑戰,但5G和汽車市場的需求將驅動著氮化鎵元件的成本降低,逐漸為市場接受而進入大眾化市場。

本文為EE Times China原創文章,並同步刊登於EE Times China 9月號雜誌