我們這一代面臨的最大挑戰(zhàn)是對能源的需求不斷增長。在許多社會變革的推動下，全球人均用電量在過去 30 年中增長了 50%。我們家中的電器越來越多，所以家里的電源插座也越來越多。我們見證了消費技術(shù)的蓬勃發(fā)展：手機、電腦、筆記本電腦和手表都開始發(fā)揮作用。我們看到了以前從未見過的各種尺寸的電機——從玩具到車輛的支撐系統(tǒng)，再到躺椅，再到園藝工具，再到救生帶。當然，我們現(xiàn)在已經(jīng)進入了電動汽車(EV) 的時代，電動飛機也在開發(fā)中。預計這種數(shù)字化和電氣化趨勢將繼續(xù)并加速。

今天的數(shù)據(jù)中心使用全球約 1% 的電能。預計到 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?？v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，各國承諾減少排放，許多國家現(xiàn)已正式承諾到 2050 年實現(xiàn)氣候中和或凈零排放。最近在格拉斯哥舉行的 COP26 峰會上就加強這些目標達成了進一步承諾。

功率半導體制造商已承擔責任，因為我們的產(chǎn)品是碳中和的推動者。作為工程師，我們必須提高電源轉(zhuǎn)換效率，這需要標準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。對于相對較新的技術(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，因此 WBG 在實現(xiàn)未來幾十年的挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用的大門是敞開的。

（來源：Yole Développement，“GaN Power 2021：外延、器件、應用和技術(shù)趨勢”，2021 年）

圖 2 顯示了基于 Yole Développement 的 2021 年報告的 GaN 預測增長。市場處于早期階段，但在未來幾年將呈指數(shù)級增長，到 2026 年復合年增長率將超過 70%。這是一個很好的指標，表明將需要 WBG 來解決我們的整體電力挑戰(zhàn)：在新應用中使用電力以最負責任的方式。

要評估采用 GaN 作為一項新技術(shù)，我們必須考慮四個關(guān)鍵點：

性能：WBG 產(chǎn)品的快速開發(fā)和采用已經(jīng)實現(xiàn)了幾年前無法想象的性能水平——事實上，如果沒有 WBG 設備，一些新的項目要求是不可能實現(xiàn)的。然而，仍有大量研究和創(chuàng)新工作要做，尤其是對于 GaN，因為雖然目前的性能水平已經(jīng)很有吸引力，但還沒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，價格較高的 WBG 設備主要針對性能是關(guān)鍵因素的高級應用。然而，GaN 成本將會降低，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：這是半導體領域的一個關(guān)鍵因素——只有在設備可用且供應安全的情況下，新技術(shù)的實施才能變得廣泛。

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，隨著時間的推移會發(fā)生變化，根據(jù)性能、成本和可用性之間的權(quán)衡來適應不同的應用程序需求。特定應用領域的技術(shù)之間的界限將變得模糊，并將隨著技術(shù)沿學習曲線的進步而移動。當然，由于數(shù)十年的進化改進，目前硅已經(jīng)廣泛普及?？紤]到正在進行的所有研發(fā)工作和投資，GaN 將繼續(xù)進行。

功率 GaN 已經(jīng)在許多低功率應用中證明了其價值，有助于實現(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，這些功率水平是可以實現(xiàn)的。這就是可靠性至關(guān)重要的地方，因為這些功率水平適合 EV 應用，因此零件必須超出標準質(zhì)量要求并符合汽車標準。

發(fā)展速度非?？臁Ｒ?GaN 性能為例，在不到兩年的時間里，Nexperia 推出了三代 650-V GaN FET。器件具有經(jīng)過驗證的高功率轉(zhuǎn)換效率、出色的開關(guān)性能和高功率密度。Nexperia 將這種開關(guān)性能與其成熟的銅夾封裝技術(shù)相結(jié)合，以進一步降低 R DS( on)。

關(guān)于可靠性，Nexperia 使用經(jīng)過驗證的穩(wěn)健級聯(lián)架構(gòu)。質(zhì)量測試已經(jīng)超過了 AEC-Q101 的要求——高出 4 倍——并且其測試失敗程序的測試仍在進行中。

重申一下，作為一個行業(yè)，我們正處于功率 GaN 學習周期的開始——我們可以期待顯著且持續(xù)的改進。目標應用包括車載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器的汽車。在工業(yè)領域，光伏逆變器受益于 GaN，對于數(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 具有強大價值主張的關(guān)鍵應用領域。最終，即使在被視為“標準”功率轉(zhuǎn)換設計的情況下，GaN 也會激增。

可擴展性和成本

GaN-on-silicon 主要使用現(xiàn)有基礎設施、現(xiàn)有工藝以及經(jīng)過驗證和可用的技術(shù)制造。Nexperia 使用專有程序處理標準硅基板以結(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)在兩個晶圓廠中進行了 GaN 生產(chǎn)。關(guān)于組裝和測試，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用而設計的，并借鑒了近二十年前推出的 Nexperia LFPAK 封裝技術(shù)的經(jīng)驗，該技術(shù)現(xiàn)在每年的出貨量超過 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大規(guī)模。有一條明確的路徑可以支持大容量 WBG 設備的使用。

碳化硅等

Nexperia 正在開發(fā)其他相關(guān)技術(shù)以應對功率半導體市場。它已宣布其首款 SiC 產(chǎn)品，正在開發(fā) IGBT 解決方案，并繼續(xù)改進我們行業(yè)的主力產(chǎn)品 MOSFET。每個不同客戶應用的最佳解決方案取決于平衡性能、成本和供應。我們面臨的挑戰(zhàn)是負責任地進行創(chuàng)新以滿足世界能源需求，同時實現(xiàn)凈零路線圖。

審核編輯 黃昊宇