氮化镓功率器件及其应用
氮化镓功率器件及其应用
大家好，我是GaNPower International 苏州量微半导体的傅玥，感谢第三代半导体产业技术创新战略联盟的邀请，今天给大家报告的主题是氮化镓功率器件及应用。
首先让我们来看一下氮化镓功率器件的结构。我们可以看到，氮化镓功率器件和硅LDMOS看起来很像。从结构上讲，氮化镓器件和硅LDMOS都是横向器件。也就是说，他们的源极，门级和漏极都在芯片的上表面。同时为了让电场分布更加均匀，他们都使用了场板的设计。当然，不同之处在于氮化镓是化合物半导体外延，通过异质结形成高电子迁移率的二维电子气沟道。而硅LDMOS是硅外延层上进行掺杂形成P-N结。同时我们知道，氮化镓功率器件分为增强型(E-Mode)和耗尽型(D-Mode)两种。增强型是常关的器件，而耗尽型则是常开的器件。在电力电子应用中，常开的器件会带来使用上的不便和安全方面的问题。因此实际应用中的氮化镓功率器件都需要是常关型的器件。
再让我们来看一下650V氮化镓功率器件的技术路线。为什么要是650V呢？因为对于很多电源领域的应用，凡是需要接入220V市电的，母线电容上的电压在输入交流电压整流以后得到大约400V直流电压，再加上电压尖峰和部分拓扑结构应用中副边反射回来的电压，650V就成了一个标准的电压要求。当然氮化镓也有很多中低电压的应用，在这里就不详述了。前面我们已经讲过，氮化镓器件分为增强型和耗尽型两大类。目前主流的增强型器件使用的是一种叫做P-GaN的工艺结构，这种工艺结构带来两类技术路线。一类是以松下和英飞凌为代表的电流控制型。所谓电流控制，指的是门级驱动使用电流，而不是电压来控制。另外一类则是和硅MOS管以及碳化硅MOS管一样，使用门级电压驱动。这里我们主要讲电压驱动型。在电压驱动型里面，又分为分立器件和驱动集成芯片。分立驱动就是只是功率器件，驱动需要外接。驱动集成芯片是芯片里面包含氮化镓功率器件和驱动IC。驱动集成分为共封装和单片集成。其中共封装指的是使用成熟的硅驱动IC和氮化镓功率器件合封在一个封装里面，单片驱动集成是指使用氮化镓工艺同时将驱动IC和功率器件集成在一块芯片里面。耗尽型器件分为级联常关器件和分立常开器件。其中级联常关器件以Transphorm为代表。Power Integration采用的是在蓝宝石衬底上面长氮化镓，同时集成原边驱动，控制以及副边的驱动。使用蓝宝石衬底做氮化镓功率器件的好处是成本较低，但因为蓝宝石本身的导热性很差，大功率应用会有困难。另外一个使用常开型器件集成驱动的典型代表是TI, 根传统级联方式不同，德州仪器使用的是一种叫做直接负压驱动耗尽型氮化镓的方式。门级驱动直接接到氮化镓而不是级联方式中的低压MOS管。
这两张图，相信很多朋友都看过。它们是法国悠乐咨询公司2018年氮化镓报告里面的。我想把这两张图再拿出来讲一下，因为很多时候，大家可能一开始并没有看明白悠乐想说明的问题。比如右边这张饼图，我用中**了一些注释。它讲的是氮化镓功率器件的商业模式。里面包括有IDM，外延加上芯片生产的代工厂，还有例如像Navitas, GaN Systems，EPC和我们GaNPower这样的纯设计公司。当然这张图对氮化镓外延片提供商也有指导意义，因为这里面就有不少需要外购外延片的纯芯片代工厂以及Alpha Omega这样的设计+芯片生产的公司。左边这张图和我们前面一页讲的内容相似，有关氮化镓器件的技术路线。同样我用中**了一些注释，方便大家理解。
这里有一个简化的耗尽型氮化镓生产工艺流程介绍。左边是GaNPower在4年前使用蓝宝石衬底做的耗尽型氮化镓器件的两寸晶圆，当然现在GaNPower已经不再做耗尽型器件，而专注于硅衬底的增强型器件。我们看到第一步是做mesa隔离蚀刻；第二步是定义源极和漏极；第三步是沉积源漏极金属；第四步是剥离和退火；第五步是定义门级；第六步是门级金属沉积；第七步是门级金属剥离；第八步是SiN氮化物沉积钝化；第九步是源极漏极的接触开口；第十步是定义场板；第十一步是场板剥离(Lift-off);第十二步是第二层氮化物沉积。
下面我们简单介绍一下氮化镓功率器件的封装步骤。和硅MOS管相似，氮化镓器件有多种封装形式，例如DFN,TO220等。同样，氮化镓功率器件的封装步骤，也和硅类似。生产好的晶圆，首先经过CP测试，再进行背部减薄。需要注意的是，硅上氮化镓晶圆和单纯的硅晶圆不同，氮化镓晶圆很硬，在划片之前需要先用激光凹槽蚀刻，再用钻石刀划片。最后打线塑封完成封装步骤
氮化镓功率器件的一些基本特性包括：第一，没有雪崩击穿，一旦击穿，就是永久性的。这类似于电容里面的介质击穿。也正是这样的原因，一般对于650V的器件而言，如果是硅MOS管，一般实际击穿电压大约在750V左右，而氮化镓器件需要提供更高的电压裕量，650V器件至少需要900V以上的击穿电压。第二，没有p型氮化镓管，如果要用氮化镓做模拟和数字IC，其设计和硅IC差异较大。第三，最大门级电压被限制在了7V，且于现有的硅驱动IC不兼容；第四，虽然GaN材料特性远好过硅，且有高电子迁移率的二维电子气，但因受制于横向器件固有的一些问题，其优点并没有得到充分发挥。
这里介绍的是氮化镓功率器件的参数及表征，包括静态参数（例如通态电阻，阈值电压等），动态参数，例如寄生电容，门级电荷等，还有就是散热和安全工作区。首先我们来看一下动态电阻。动态电阻是氮化镓特有的现象，也被称为电流崩塌效应。在经历过高压应力后，通态电阻显现出高于正常10%到40%的阻值。这种现象会在一定程度上增加系统损耗。2，与硅还有碳化硅器件不同的是，氮化镓器件的阈值电压温度系数相对平稳。我们知道硅和碳化硅都有负的阈值电压，意味着在几个器件并联情况下，温度越高的器件阈值电压越小，那它分到的电流越大，电流越大，器件越热，这样形成一个正反馈,不利于多个器件并联。而氮化镓的阈值电压几乎平直，甚至还有一些偏正温度系数，这样尤其适合多个器件并联来实现更大的功率。3，氮化镓器件没有P-N结，也就没有寄生的体二极管。然而氮化镓仍然可以工作在第三象限。所谓第三象限工作，就是说电流从源极流向漏极。需要注意的是这时候即便不使用门级负压关断，Vsd仍然比硅大。所谓负压关断，指的是在门级上加一个负的电压来关断器件。这样做的好处是防止因为门级上面的电压尖峰造成误开通。我们知道，硅MOS管在第三象限导通其实是通过寄生二极管的正向开通，只需要0.7到1V左右即可开通。而氮化镓反向开通的基理和硅不同，因为没有体二极管，氮化镓只能通过Vsd超过阈值电压以后使用沟道导通。一般P-GaN的增强型氮化镓器件Vsd会在2V左右。如果加了负压关断（比如Vgs=-3V），Vsd需要叠加上该电压，会增加第三象限导通损耗，这在死区时间较长的系统应用中尤为严重。这时候可以考虑反并一个超快恢复的二极管来减少损耗。4，和硅MOS相比，在相同的击穿电压和通态电阻条件下，氮化镓有低得多的寄生电容，这有利于高频开关应用。5,另外氮化镓的寄生电容，例如Crss和Coss的非线性都比硅超结MOS管更好。所谓非线性，是指寄生电容在不同漏源极电压下（例如从0V到400V）的电容值变化。非线性程度高会给系统EMC电磁兼容方面的设计带来更大的挑战。6，在同样的击穿电压和通态电阻条件下，氮化镓的门级电荷比硅超结MOS管低一个数量级。7，氮化镓没有体二极管，也就没有反向恢复电荷和反向恢复损耗。8，氮化镓有很短的上升下降沿时间，需要关注米勒效应和共源极电感对系统造成的影响。9，氮化镓在热阻测量方面和硅有所不同，硅的热阻测量依赖于体二极管的正向压降随温度的变化，而氮化镓没有P-N结，所以热阻测量就会更困难一些。10，在相同的击穿电压和通态电阻情况下，氮化镓芯片面积比硅MOS管更小，这样会增加从结到壳的热阻，我们知道标称的连续电流和结壳热阻有直接的关系，结壳热阻大，标称电流小。这也是为什么同样的击穿电压和通态电阻条件下，硅MOS管标称的连续电流值会比氮化镓高不少。
传统上硅功率器件大量使用直插引脚封装，例如TO220。这对于频率不算太高，di/dt不算太大的应用而言没有问题。然而氮化镓常常被使用在高频，高di/dt的环境中。这就需要考虑因为封装引脚带来的寄生电感的问题了。我们知道，如果驱动回路和功率回路共用一个源极引脚，会有一个共源极电感的问题。较高的di/dt会在源极电感上面感应出一个电压。在器件开通的过程中，产生上正下负的电压，阻碍器件开通。在器件关断的过程中，感应出一个下正上负的电压，阻碍器件关断。这样不仅会减慢器件的开关过程，甚至会使器件误导通。一般氮化镓比较常用的封装是DFN封装，并有开尔文脚，将功率回路和驱动回路分开。这里面有个特例就是LLC软开关拓扑。因为LLC的di/dt较小，所以TO220也可以用在LLC电路拓扑应用里面。
我们知道，芯片面积和芯片成本正相关。过去三十年，硅MOS管的技术得到很大的进步。从普通的VDMOS，到超结MOS, 硅器件本身成本也在降低，受制于材料特性，硅功率器件芯片面积和成本已经很难在下降，然而氮化镓却是一个质的飞跃。我们也看到相同的电压和电流标称值，氮化镓的Rdson会小很多。这其中的原因前面已经有提到，是跟氮化镓因为芯片面积小而带来更大的结壳热阻有关。如果我们看右下角的这张图，它反应的是品质因素（Rdson*Qg），同样的电压和类似的通态电阻，氮化镓的FOM要小很多。这意味着从理论上讲，器件的导通和开关损耗会小很多。
这张图里面讲的是氮化镓器件和超结MOS管在硬开关应用中的损耗对比。我们看到在相同的通态电阻Rdson情况下，氮化镓只有反向导通损耗高于硅超结MOS管。我们前面有提到过关于反向导通，或者说第三象限导通的问题。这里就不详述了。就总损耗而言，即使是硬开关，氮化镓的总损耗也比超结MOS更低。有兴趣的朋友可以做一个进一步的研究，会发现其实氮化镓在软开关应用场合更加有利。
这里有一些商用的氮化镓驱动芯片。氮化镓驱动芯片不同于硅驱动芯片的地方在于，硅或者碳化硅一般会需要较高的门级驱动电压，通常在12V以上。而驱动氮化镓需要5到7V的电压。同时因为氮化镓的开关速度较快，上拉下拉电流会需要大一些。如果是上下半桥驱动，就需要考虑驱动延时的问题。一般非隔离的level-shift延时太大，会给应用造成阻碍，这时候可能会需要数字隔离技术。
这里介绍一下驱动集成的氮化镓芯片。前面提到过，工业界驱动集成的氮化镓芯片分为两类，一类是单片集成，一类则是共封集成。单片集成以Navitas为代表，可以最大程度的消除驱动回路的寄生参数，让系统工作在更高的频率，这也使得一些兆赫兹频率的应用成为可能。共封装使用的是硅驱动IC加上氮化镓功率器件。因为硅驱动IC非常成熟，共封装能提供全面的驱动和保护功能。共封装的代表公司是德州仪器和Power Integrations
单片集成氮化镓IC的最大优点在于消除驱动回路的寄生参数。目前主流氮化镓工艺使用6寸或者8寸的硅衬底外延片，特征尺寸在0.5um左右。从IC工艺角度而言，这大致相当于20年前硅BCD smart power IC工艺水平。氮化镓IC工艺也可以提供诸如电容，电阻等被动元器件,但却没有P型HEMT管。这给模拟及数字电路设计带来挑战，很多常用的模拟电路模块，例如运放，LDO或者带隙基准都不易实现。比利时的IMEC氮化镓工艺平台使用SOI衬底，这样做可以方便半桥电路的上下管隔离
共封装集成氮化镓芯片的代表厂家是PI和TI两家公司。PI的SC1933C继承和发扬了PI高度集成化的传统，使用蓝宝石衬底的耗尽型氮化镓，集成级联低压MOS管，原边控制，副边控制，原副边隔离等功能。TI使用的是直接氮化镓驱动方式，使用负压关断耗尽型氮化镓器件。同时低压硅MOS管保证了在没有上电的情况下，芯片处于关断状态。以上两种都是使用耗尽型氮化镓。GaNPower的共封氮化镓IC使用增强型氮化镓功率器件，集成成熟的硅驱动IC来驱动和保护氮化镓器件
这里举例说明氮化镓器件的三种不同的驱动方式。第一种是专用驱动IC+分立器件，第二种是集成驱动氮化镓芯片，第三种是不用专门的驱动，也不用集成驱动，直接使用常规的硅控制/驱动芯片加上电阻电容等元器件组成驱动电路来驱动氮化镓。第一种方式成本最高，第二种方式成本居中。第三种方式成本最低，但这种方式仅适用于小功率和频率不算太高的场合。因为分立的电阻电容会给布线和驱动回路带来影响，增加寄生电感。
我们知道，氮化镓功率器件会逐渐取代硅超结MOS管，而碳化硅MOS管会逐步取代硅的IGBT。就氮化镓应用层面来讲，可以分为消费类，工业类和电动汽车三大类。其中消费类，特别是氮化镓超小型电源适配器已经开始量产。工业类有小规模量产，汽车类应用还需要一些时间。目前还处在预演阶段。
这里是65W超小型适配器的历史沿革。我们看到过去4年里面，有很多不同的方案呈现出来。包括三电平LLC，有源钳位反激等。甚至有公司用碳化硅做主开关管。当然成本会很高。高亮的部分为功率密度比较。我们看到目前能做到的最高的功率密度是小米/纳维的ACF+平板变压器方案。但即使如此，功率密度也没有超过20W每立方英寸。
这里比较的是氮化镓超小型65W适配器的三种方案。第一种是QR （准谐振反激），第二种是ACF（有源钳位反激），第三种是LLC数字控制谐振拓扑。这张表比较了三种方案的工作频率范围，效率，电路调试难度，体积以及成本。如果优先考虑成本，则QR （准谐振反激）为最佳。如果优先考虑体积和效率，则LLC数字控制谐振最佳。目前GaNPower/DigiQ是唯一一家提供65W LLC方案的氮化镓器件供应商
我们自己做了超过两年的研发， 成功开发出了第一个65W LLC超小型适配器。它带壳的功率密度可以达到26.5 W/inch3 ，远远超过目前已有的氮化镓适配器。在高达1.5MHz的工作频率下还能达到94.5%的效率。
这里是一些更具体的参数，在这里我就不再详述。我们的功率密度是目前氮化镓QR准谐振反激方案的两倍不止。右上图可以看到我们的65W适配器甚至看起来和苹果的5W适配器差不多！
这里是我们65W LLC适配器的一些效率曲线图。在满载情况下，我们的适配器损耗比其它氮化镓适配器样品更小。尽管我们的工作频率远高于样品1和样品2
刚才讲到LLC比较适合对体积效率要求较高的高端场合，那我们的65W QR准谐振适配器就适合在低成本高性价比的场合。
这里是我们150W适配器解决方案。使用的是我们集成驱动的氮化镓器件。
这里是我们150W解决方案的一些具体信息，特别将驱动电路部分放在了这一页的左上角
这里是我们220W适配器解决方案。设计非常紧凑，可以看到长度不到名片的大小。效率也可到94%。这个是包含PFC和DC/DC部分的总效率。
这一页是220瓦超小型适配器的一些波形图及在不同输入输出条件下的效率曲线图
前面讲了氮化镓在消费类适配器方面的应用，这里我们再讲一下氮化镓在工业及汽车领域的应用。我们知道氮化镓特别适合软开关，尤其是LLC拓扑结构的应用。同时氮化镓是横向器件，更适合中小功率的应用。如果我们能将多路LLC电路交错并联，将一个较大的功率分解到多路并联输出，则有利于我们提高系统工作频率， 提高功率密度，并减小输出纹波。然而LLC使用的是频率控制，电感和电容的一点点的公差会造成各项工作频率不同，从而造成输出电流无法实现均流。GaNPower的有源电容调制SCC专利技术有效的解决了这样一个问题。它通过调整谐振电容值来调整并联各相的工作频率，从而实现均流的效果。这个技术将大大降低氮化镓在工业以及汽车领域的应用难度。
这是我们有源电容调制技术的1000W原型机，两项交错并联LLC的400V转12VDC-DC变换器。它可以广泛应用于服务器电源，通信电源和车载电源系统里面。
使用有源电容调制技术以后，能够让车载充电系统及DC/DC辅助电源系统的功率密度达到原来的3倍
前面一直在谈技术，这里简单说一下市场。这里有法国悠乐咨询公司的两张预测图。预计未来三年，氮化镓功率器件主要有快充，激光雷达，数据中心，电动汽车和无线充电五个应用方向。2023年全球氮化镓功率市场预测在1.5亿到4亿美元之间。同时呢，2023年氮化镓功率器件在快充/适配器行业预计能达到2亿美元。但我个人认为这个预测可能高估了在汽车方面的应用，同时低估了在适配器上的应用。全球适配器年产量至少在30亿只以上，如果未来所有适配器均配氮化镓器件，按每个适配器配1美元GaN器件计算的话），氮化镓功率器件仅在适配器市场应用就可达30亿美元。
在这一页里，从左边这张图我们可以看到，在2015年的时候，超结MOS管的市场总量为9亿美金，估计2020年可以达到12亿美金左右，与此同时，2018年氮化镓功率器件市场仅为1800万美金。未来几年，650V氮化镓主要替代的是超结MOS管，会有很大的成长空间。右边这张图我们可以看到，当通态电阻Rdson比较大的时候，例如大于100毫欧，目前氮化镓和超结MOS管的价格是非常接近的，这意味着在小功率应用，氮化镓有巨大的优势。特别考虑到未来氮化镓还有很多的降价空间。
这里简单介绍一下我们公司。苏州量微半导体有限公司是加拿大GaNPower International Inc.在中国注册的公司。GaNPower于2015年在加拿大成立，总部位于加拿大温哥华市。GaNPower是全球氮化镓功率器件行业的知名公司，目前产品主要为涵盖不同电流等级及封装形式的650V和1200V增强型氮化镓功率器件及氮化镓基电力电子先进应用解决方案
这里是我们的一些产品介绍。到目前为止，GaNPower拥有专利及专利申请38项，其中包括16项已授权的美国专利。
最后，感谢大家的耐心和支持
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