氮化镓(GaN)功率器件的特点、应用及发展.docx

氮化钱（GaN）功率器件的特点、应用及发展现有硅功率器件已经达到了理论极限，而第三代半导体材料中氮化钱材料的基础参数更加优异，也将具有更大的发展空间。本文从GaN功率器件的基础参数分析其特点和优势，列举其在消费类电源和电动汽车领域的应用，最后阐述现有国家政策和国内产业链发展情况。标签：氮化铁（GaN）;消费类电源;电动汽车;新基建。随着硅功率MOSFET技术的不断发展，其参数达到了硅基器件的理论极限。而作为第三代半导体材料中的SiC和GaN为原材料的功率器件则是优良的升级品。本文主要对GaN功率器件的特点、应用和发展进行论述。由表1得出GaN材料的特性包括禁带宽度大、临界击穿电场高、电子迁移率较高、饱和漂移速度高及导热率大。高的禁带宽度意味着具有较低的本征泄露电流和较高的工作温度。在相同击穿电压下，GaN材料的高临界击穿电场可以使漂移区厚度可以比硅器件小1/10左右，体积更小，寄生参数更小。理论导通电阻与偏移区厚度成正比，与电子迁移率成反比。所以，较小的偏移区厚度和较高的电子迁移率可以使导通电阻进一步降低。高饱和漂移速度，说明更适合高频工作。导热率越大，说明其传递热量的能力越强，则更适宜于高温环境1。综合以上分析可知，第三代宽禁带GaN材料具有开关速度快，导通电阻低,尺寸小，耐高温等特点，所以GaN功率器件适合高频、高温、高效率的应用环境，能够有效减小系统尺寸，提高功率密度，并最终降低系统成本。二、氮化铁功率器件的应用1 .消费类电源的应用目前，手机和电脑已成为生活的必需品，而配套电源充电器也随之升级换代。在2018年11月6日，联想发布了thinkplus口红电源，标准功率输出65W,兼容绝大多数TyPe-C供电的电脑和手机。在2019年9月17H,OPPc）发布了一款标配65W的GaN快充充电器。这也是第三代半导体GaN材料首次应用于手机原装快充充电器。在2020年的1月7日到1月10日的CES2020展会上，共有约30个厂商推出60多款GaN快充产品。接着，在2020年2月13日，小米也发布了65W的GaN快充充电器，兼容绝大多数Type-C供电的手机和电脑，将GaN充电器的应用推向了新的高度。如表2为三款65W电源的尺寸和重量对比：联想口红电源的发布在当时引起了轰动，因为65W的功率输出，却足够小的体积，符硅功率器件的密度发挥到了极致。随后OPPo和小米65W的GaN充电器充分证明了GaN的价值。OPPO发布的GaN充电器是GaN开始大批量应用于手机充电器，虽然重量小了一些，但是在体积上偏大一倍，功率密度甚至还不如口红电源。短短5个月时间，小米65W的GaN充电器开始超越口红电源，其体积和重量相比口红电源都缩小30%以上，功率密度也提高了40%以上。相信随着GaN功率器件的不断发展，未来的电源充电器将更加小巧高效。2 .电动汽车的应用电动汽车内部主要有充电机、双向DC/DC变换器和车载DC/DC变换器三大电力结构。为了增加续航和满足汽车内智能用电设备的增多，提升三大电路结构的效率和功率密度一直是电动汽车的重要发展目标。GaN功率器件的高频、低功耗、耐高温等特点可以使电动汽车提升效率，减小系统尺寸，提升续航。在产品供应方面，TranSPhOrm公司在2017年3月，就推出了市场上仅有的一款经过AEC-QlOl认证的650V车用GaN器件。到目前为止，已有TranSPhOITn、NeXPeria和EPC都推出了通过AEC-QlOl认证的车用GaN器件。在应用方面，在2019年3月，以色列ViSIC公司发布了最小车载充电机产品，该款充电机的功率密度是现有产品的3倍，充电效率达到了96%。在2019年10月，2014年诺贝尔物理学奖得主之一、日本名古屋大学教授天野浩领导的研发团队，利用GaN材料研发的逆变器，已首次成功应用在电动汽车上，并有望让电动汽车节能20%以上。国内方面，在文献【2】中，使用GaN器件的车载DC-DC变换器与北汽新能源硅器件的车载DC-DC变换器相比，在效率相当的情况下，功率密度提高了51.8%o综合以上情况，预计很快就会有使用GaN功率器件的电动汽车陆续上市。三、氮化钱功率器件的发展我国在2013年的“863计划”,2015年的中国制造2025，和2016年的我十三五”国家科技创新规划中，都明确了大力发展GaN功率器件的方向。在生产制造方面，通过文献【3】了解到，GaN功率器件的整个产业链依次是衬底、外延、设计和模块制造。现阶段我国在各个环节都具有代表企业。GaN衬底的企业有苏州纳维和东莞中钱。GaN外延的企业有晶湛半导体、江苏能华、华功半导体、英诺赛科和大连芯冠。GaN设计的企业有安谱隆半导体、海思和中兴微电子。GaN模块制造的企业有三安集成和海威华芯。在应用方面，GaN功率器件的应用领域非常广泛，可应用于人工智能、工业互联网、大数据中心、新能源汽车充电桩等“新基建”领域。相信依托于国家政策，GaN功率器件将得到快速发展，应用GaN功率器件的产品将会大量上市，引领新的变革。参考文献：Ul崔梅婷.GaN器件的特性及应用研究D.北京交通大学.2015：3-52庞振进.基于氮化线器件的高频车载DC-DC变换器的研究D.南京航空航天大学.2016：39-47沈一度.GaN电力电子和射频器件产业链分析J.集成电路应用.2018,35(10)：91-92Si材料GeN材料禁带宽攻/eV1.13.4临界击穿电场/(MVcm)0.33.3电f迁移率/Cm?”-)15002000饱和漂移速度/(.10%ms)1.O2.5#热率/W(cmk)IS122分类联也!口红电磔OPPO的GaN充电器小米的(MN充电2S尺寸(不含嫡脚.长宽*Ri)mm3O3573555255.73O,8*3O.856.3«ttg120IB82