CUSPEA首批留学生获得者，美国麻省理工学院物理学博士：光伏逆变器是高压氮化镓器件的又一用武之地

营口天维半导体制造有限公司创办人郑小鹿

 

提问解答

 

CSC：过去的一年里，在 领域，有哪些令您记忆犹新的时刻？这些事件对行业产生了哪些影响？

随着汽车800V母线系统的采用，1200V高压氮化镓功率器件的推出势在必行。过去一般认为900V是区分蓝宝石基或者硅基的分界线。Transphorm的900V车规产品是硅基的，去年初其宣布了今年将推出蓝宝石基的1200V产品；国内的能华也刚推出1200V的蓝宝石基的产品。但是硅基一直是人们的不懈追求，2022年GanPower推出了业界首款1200V硅基的e-mode器件，晶湛发表了12英寸的符合1200V器件要求的硅基的外延片，Transphorm又紧锣密鼓地在十月宣布了其1200V的硅基产品。硅基的寄生漏电是高电压下的杀手，人们采取对硅基的过渡层的增厚、改进以及各种调控措施，看来1200V电压等级的硅基产品已取得了进步。

目前650V电压等级的商品化的氮化镓器件的导通电阻能降到25毫欧姆，通流60A（GaN Systems）和22毫欧姆，通流100A（VisIC）。这与 器件还是有差距的。两者相比，氮化镓功率器件有较小的开关损耗，但是较大的导通损耗。前者允许氮化镓器件有更高的开关频率，后者却限制了通流。晶湛和弗吉尼亚理工在氮化镓器件上做了多层二维电子气平面通道，总的导通电阻由于并联得以减小。该实验结果的意义重大，人们期待后续商品化的成功。在中低压等级的赛道，氮化镓器件也有其优势，英诺赛科的100V电压等级的导通电阻降到3.2毫欧姆，最近获AspenCore的全球电子成就奖。

CSC：氮化镓的消费电子应用日渐普及，未来在数据中心、工业甚至汽车应用领域是潜在的市场，我们应该做好哪些工作推动市场发展？

这几年来氮化镓器件在快充产品上的应用成功，在国内催生出了十余家涉及驱动芯片设计或者合封的企业，其中大部分还仅限于制作65W及以下的小功率的准谐振反激电路（QR）。横向氮化镓HEMT器件的优点是无反向恢复电荷，在更大功率的应用中，半桥的氮化镓器件用于构成无桥的图腾柱的PFC以及LLC的电路的拓扑都是其特有的优势。这样，快充市场的延伸自然是数百瓦的电脑电源和适配器。氮化镓器件在高频高压工作条件下，电压变化大又快，其压摆率dv/dt就高。要限制其低于相应的栅极驱动器的共模瞬态抗扰度（CMTI），还要限制其不超过氮化镓的较小的栅极电压允许范围，这样对氮化镓的栅极驱动器提出了更高的要求。

更大功率的数千瓦的应用市场当属数据中心的服务器电源。几个主要的器件厂家与其合作伙伴正在进入这个市场：GaN Systems首推3KW，功率密度大于6.1W/cc；Navitas推出3.2KW，功率密度大于4W/cc；镓未来推出3.6KW，满载时效率>96%，出货量已有100K台/年。这些数据中心的服务器电源需要满足80PLUS®钛金级效率认证（满载条件下效率达到>91%，半载条件下>96%），这可能是当前在2KW到5KW的功率范围内的最大市场。2023年全球数据中心用电量将是1KTWh,还将持续增长,到2030年达3KTWh（国内的数据中心用电量占全球的31%）。假定单机功率为3.2KW，可以估算出全球的一次性的装备量是1.14亿台电源，每三、四年要更换一次。每台电源采用6颗导通电阻为35毫欧左右的650V氮化镓器件，再进一步考虑电源的输出电压从48V继续降压，也还需要提供相应的低压的氮化镓器件。

镓未来也看好户外便携式储能的市场，该产品功率2KW左右，不同于大的充电宝，其AC端也能输出逆变的工频电压，其DC端与48V蓄电池的充放电相连，所以是个离网的双向变流器(PCS)。氮化镓器件构成的无桥图腾柱的拓扑正好胜任双向逆变。目前国内的几个主要厂家的生产总量大约在400万台/年，每台需要采用6颗导通电阻为50毫欧左右的650V氮化镓器件。其实真正庞大的电力储能市场所用的PCS，其AC端取电或者送电都是要与三相电网相连，其DC端口与400V以上的类似于动力电池的电池组相连，还可能有第二个DC端与光伏板的输出端相连。2022年全世界的PCS装机总量4480MW，目前全都采用了IGBT的器件。即便假定全部采用分布式的氮化镓的3.2KW的小型PCS，一年的全球的装机量折合为140万台。

2022年我国新能源汽车销量有688.7万辆。一般说来，可以期待每一辆电动汽车配置一个车载充电器（OBC）。GaN Systems与合作伙伴近几年来推出了7.2KW和22KW的OBC，最近获得德系车企的3亿欧元的订单。VisIC也正在推出6.6KW的OBC，其中使用了6颗22毫欧姆的D-mode器件。GaNPower于几年前就重点研制成功了3.3KW和6.6KW的OBC，最近他们还特别指出：1200V的氮化镓芯片是车载的OBC的主力器件。随着800伏汽车总线电压的推行，1200V的氮化镓器件，不论是硅基的还是蓝宝石，也正应时而生，不乏用武之地。

不久前氮化镓器件开始应用于光伏逆变器，浙江贝尼刚推出全球首款微型逆变器的成熟产品，2.8KW功率，最大持续输入电流为20Ax4。2022年全球光伏装机量是220GW，即便全部采用这种分布式的2.8KW的微型逆变器，全年的装机量为7800万台。对于采用输出电压上限为1100V的光伏板，是需要1200V电压等级及以上的氮化镓器件，所以光伏逆变器是高压氮化镓器件的又一个用武之地。

在中大功率的应用中，特别是在汽车电子的应用，氮化镓的d-mode器件（耗尽型、常通型）比较e-mode器件（增强型、常断型）在栅极驱动的可靠性上占有优势，我们知道e-mode器件的软肋是其栅极的电压范围太窄，而且最佳的工作电压太靠近临界电压。在低电压小功率的使用条件下，问题还不大；但是在高电压大功率高频的使用条件下，电压变化会快，或者说压摆率dv/dt会大，其反馈到栅极，就可能造成误触动，也可能超过了栅极的安全电压范围。一种解决的方案，是采用集成共封的设计精准的栅极控制器，其中还要有集成有快速的过流传感器和执行器件。这个高难度的方案是Navitas的方案。另一种方案，是回归到d-mode，特别是在大功率的应用中。从已获得车规论证的高压器件看，e-mode器件的只有GaN Systems一家，而d-mode的就有多家了：Transphorm、Nexperia、TI和VisIC。

看国内的企业，镓未来注重千瓦级以上的应用，推出的全是d-mode相关的cascode器件；远山新材料所开发生产的也是d-mode相关的高压器件；能华虽有e-mode的产品，主打的也是d-mode相关的cascode器件。能华的d-mode的栅极结构中采用了独特的MIS，含有绝缘介质层。笔者实测了能华的d-mode管的栅压范围，居然超过（-50V，30V）。由于d-mode安全启动的问题通过cascode或者direct drive的路径已经实质性在实际中解决了，在中大功率的高压应用中，可以预期d-mode相关的器件更易于渗入市场。

CSC：氮化镓衬底的制造一直是本行业发展的瓶颈，国内企业在氮化镓衬底、垂直结构器件方面取得了哪些长足的进步？还有哪些有待攻克的技术难题？

通常我们说的氮化镓功率器件是指硅基横向的HEMT器件，其有优势也有弊端。横向的HEMT器件利用了氮化镓材料所特有的极化特性，使电流集中于接近表面的薄层中而易于受控。这也带来一些缺点：栅极边缘尖峰电场在表面易于诱导材料击穿，表面缺陷态会导致电流崩塌产生动态电阻。日本PowDec、丰田合成和国内远山新材料采用GaN外延层作盖帽层，再次利用材料极化的特征产生电场屏蔽，克服了横向器件的上述缺点，制作出了高达6000V的蓝宝石基衬底的器件。国外也有在硅基衬底上生长1微米左右的3C-SiC构成复合衬底的实验，如法国NovaSiC、日本名古屋理工和Air Water。在此复合衬底的基础上继续制作氮化镓的横向或者垂直器件，绝缘强度和晶体的质量得以提高。垂直器件的路线是类似硅的VDMOS的路线，通过制作厚的外延层作为漂移区，换来高耐压和低比导通电阻，也就舍弃或者部分舍弃了氮化镓的极化优势。由于垂直器件中电流方向与位错方向同向，加剧了断态漏电，这样在厚的外延层中降低氮化镓材料的位错密度成为提升器件性能的关键。终端保护也是个新的课题。国内不少研究机构（苏州纳米所、北大、南大、深圳大学、浙江大学）和港科大采用了不同的衬底材料正在开展这方面的研究，苏州纳米所孙钱研究组在硅基上取得了垂直的肖特基二极管SBD和PIN二极管的进展，比导通电阻和击穿电压的指标在业内领先。晶湛的硅基氮化镓垂直功率外延片具有低的位错密度和高的电子迁移率，通过合作方也制作了业内领先的PiN二极管。这些垂直器件的研究关系到将来的高压电网的大电流开关器件，具有好的应用前景。

QST衬底是美国Qromis公司以AlN陶瓷材料为基础构造的复合层状结构的8英寸晶圆，与GaN/AlGaN的热膨胀系数非常接近。QST衬底使得生长低位错密度的GaN缓冲层和厚膜变得易行，特别有利于GaN垂直型功率器件。台湾世界先进进一步产业化了这个技术，目前正在导入器件的生产工艺流程，开始量产。遗憾的是，尚未见到国内有企业或者机构开展类似的研究开发工作。氮化镓横向HEMT器件的最显著的特点是没有体二极管，也就没有了反向恢复电荷，开关速度就可以更快，开关转折过程就安全，用于半桥和桥式的拓扑电路也尤为高效，这是好的方面；但是它也缺失了可逆的雪崩击穿，缺失了短路承受能力，这恰好是一般器件赖以自身保护的手段。在断态时，不可能无损伤地去在线追踪介质击穿发生时的电压；通态时的更早的过电流的检测和短路保护就尤为重要。目前做到最快的是Navitas，达到30ns的响应和执行时间，但是在其他厂家的器件结构中难以复制，人们还在寻找更好更简单的手段和办法。