氮化镓携手快充出圈，火爆背后的冷思考

*本文内容转载自《电子产品世界》的报道《凭借快充出圈的氮化镓，为什么这么火？》，记者白柴，在原文基础上略有删改

为什么快充行业会率先用到氮化镓（GaN）？

氮化镓快充火爆的背后，除了受消费者需求影响，

是否还有其他原因？

近期，在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛先生，分享了上述问题的答案。

英飞凌电源与传感系统事业部市场总监 程文涛

发表主题演讲：《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》

为什么快充会先用到氮化镓

快充产品本来理应对价格非常敏感，为什么会先用到氮化镓器件呢？

作为第三代半导体，氮化镓有三个特征：开关频率更高，禁带宽度更大，导通电阻更低。它在充电器上的优势体现在：体积小，重量轻；功率密度大，效率高但不容易发热；手机、笔记本都能充，兼容多个设备。上述特点很好地满足了消费者对快充的需求。

此外，快充会先用到氮化镓器件，也是市场催生出来的一个做法。

程文涛先生介绍："氮化镓材料的诞生已经是有些年头了，但是真正在功率转换领域的商用规模还不够大。而当规模不够大的时候，一些潜在的可靠性的问题，就不足以把它暴露出来。

验证氮化镓器件的可靠性，手机的快充是极佳选择，这就是市场选择了快充率先使用氮化镓的主要原因之一，也是一个很有趣的话题。

当市场通过这样大规模的方式验证了新材料的可靠性之后，我们相信应该很快可以在一些工业领域，看到更多的第三代半导体应用”。

换言之，氮化镓是比较新的材料，还有很多失效模式并没有被完全研究了解。若是想验证氮化镓器件的可靠性，一个比较好的办法是将其放到实际应用中去。同时应用的规模要足够大，量要足够多，才能产生深入的了解。

快充正好满足了大量应用的条件，而氮化镓器件又满足了快充高功率充电的需求。同时，消费领域不像工业、汽车对于可靠性有着极高的要求，等现有的氮化镓器件的可靠性就能满足。于是，氮化镓、快充，两者一拍即合，携手破圈。

什么影响了氮化镓器件的可靠性

是材料本身，还是工艺？

就材料而言，氮化镓器件的制作门槛并不高，然而如何将氮化镓器件做得可靠却是难点。

英飞凌 600V CoolGaNTM器件结构

氮化镓器件的结构是在硅基衬底上往上长氮化镓的外延。硅是各向同性的材料，其失效为电失效和热失效。而包括氮化镓、碳化硅在内的第三代半导体，其失效模式跟硅完全不一样。

第三代半导体是一个各向异性的材料，由两种元素化合而来。它在开关的过程中会产生介电效应，从而产生机械形变，积累到一定程度就失效了。这是第三代半导体普遍的失效模式。

氮化镓外延，是从硅上面慢慢过渡到氮化镓，所以底下层是会被“牺牲”的——即时间长了，底下的一些晶体结构是注定要坏的，它亦不承担导电的任务。而承担导电任务的部分，必须要被缓慢地过渡，到不被介电效应所影响。这个工艺说起来简单，但是掌握起来非常困难。

第三代半导体：提升能效的关键

在碳减排、碳中和的大目标下，能效正成为实现全球气候目标的重要杠杆，高能效解决方案对于促进全球发展和满足能源需求至关重要。在功率转换领域，如何提高效率呢？

答案是：尽可能地降低导通损耗。目前普遍应用的硅基半导体的导通损耗最低能达到0.4 Ω mm2，已经到达了它的物理极限。但是第三代半导体则不同，它们可以会一直沿着降低导通损耗的趋势发展。比如在交流电转到48V的领域，第三代半导体的能效高达98%。

目前能源转换领域承担节能减排重任的，主要是CPU跟射频发射部分，即这两个部分的效率是整个从产生电到用电的瓶颈所在。

高压半导体器件的Ron x A 路线图

在能效转换方面，第三代半导体是能够在我们有限提升的基础上，再往前跨一步的关键因素。

虽然现在电源转换效率已经达到了96%，并朝着98%发展，但是通过第三代半导体，即使提升了一点能源转换效率，节省出来的电数额也非常庞大。

以英飞凌的CoolGaNTM产品为例，如果美国的每个数据中心都使用它，那么每年可节省40亿度电，减少二氧化碳排放量200万吨。

GaN有助于进一步提高能效