氮化镓是近两年才进入大众视野，成为半导体行业的热门话题之一。其实，人们在很早的时候就已经开始使用第三代半导体了。十年前，我国的****射频功放基本上就是用氮化镓来做的。然而氮化镓火出圈，却是在小米10的发布会上，因为雷军的一顿夸加上受消费者青睐，氮化镓快充成为了手机圈的潮流。

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？为什么快充会率先用到氮化镓呢？日前，在深圳举办的第九届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，听完英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛先生的演讲《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》，笔者找到了答案。

程文涛 英飞凌电源与传感系统事业部市场总监

发表演讲《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？

日常生活中用到的电源转换里面，第三代半导体是比较少见，主要原因是它的成本高。然而，快充这一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：开关频率高、禁带宽度大、更低的导通电阻。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。它的这些特点很好的满足了消费者对快充的需求。除此之外，快充会先用到氮化镓器件，还是市场催生出来的一个做法。

“因为氮化镓这种材料，到目前为止，它的诞生是有些年头了，但是真正在功率转换领域的商用规模还不够大。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。用什么方式来验证这种东西的可靠性呢？手机的快充是最好的选择，这就是为什么市场选择了快充率先使用氮化镓的一个主要原因，这也是一个很有趣的话题。当市场通过这样大规模的方式把新材料、可靠性验证了之后，我们相信应该是很快的在一些工业领域，会看到更多的第三代半导体应用。” 程先生在演讲中解释道。

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理解消化。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。好不好，一用便知。当然，应用的规模要大，量要多，这样才能有深入的了解。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、汽车等需要非常高的可靠性，现有的氮化镓器件的可靠性就能满足。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？

上文我们提到了氮化镓器件的可靠性，是什么影响了它的可靠性呢？是材料本身，还是工艺问题？单就氮化镓这个材料而言是没什么问题的，氮化镓器件的制作门槛也不高，但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是个好材料，可如何将氮化镓器件做得可靠却是难点。

为什么这么说呢？让我们看下氮化镓器件的结构。

英飞凌 600V CoolGaN器件结构

典型GaN HEMT器件结构示意图（来源：氮化镓科技汇）

氮化镓器件的结构是，在硅基衬底上往上长氮化镓的外沿。这里要克服一个问题，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是电失效、热失效，但第三代半导体，包括氮化镓、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一样。因为它是一个各向异性的材料，两种元素化合的。它在开关的过程中会产生所谓的介电效应，因为介电效应会产生机械形变，积累到一定程度就坏了。这是第三代半导体普遍的失效模式。要长这个外延的目的就是从硅上面慢慢过渡到氮化镓，所以底下这些是被拿来牺牲的，底下这块时间久了以后，里面的一些晶体结构是注定要坏的，反正它不承担导电的任务，但是承担导电任务的部分，必须要被缓慢的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

据数据显示，当前温室气体排放量的三分之二来自能源部门；全球能源需求的三分之一左右是用电需求。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由此产生的能源需求越来越重要。

在功率转换领域，如何提高效率呢？办法是导通损耗要尽可能的少。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。但是第三代半导体不同，它们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%。

高压半导体器件的Ron x A 路线图

放眼能源转换，尤其是交流转直流的部分，在节能减排方面我们能做的事情已经不太多了。其实现在担负节能减排责任更重要的是CPU跟射频****部分，这两个部分的效率是整个从产生电到用电部分的瓶颈所在。但是在能效转换部分，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。

虽然现在电源转换已经达到了96%的效率，并朝着98%的效率发展，但是用第三代半导体，哪怕是提升了一点点，节省出来的电数额也非常庞大。以英飞凌的CoolGaN产品为例，如果美国的每个数据中心都是用它，那么每年可节省40亿度电，减少二氧化碳排放量200万吨。

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