Технология GaN: вызовы и перспективы развития

Нитрид галлия — широкозонный полупроводниковый материал, использование которого во многих приложениях силовой электроники постоянно расширяется. Это связано с уникальными свойствами GaN, превосходящего кремний (Si) по плотности мощности и способности работать на высоких частотах переключения в широком диапазоне температур.

Кремний, который в течение долгого времени доминировал в силовой электронике, почти достиг своих физических пределов. Это стало причиной того, что исследования в области полупроводников сместились сторону материалов, способных обеспечить большую плотность мощности и лучшую энергоэффективность. Ширина запрещенной зоны GaN (3,4 эВ) примерно в три раза выше, чем у кремния (1,1 эВ), в результате он имеет более высокое критическое электрическое поле, что в сочетании с уменьшенной диэлектрической проницаемостью позволяет обеспечить меньшее сопротивление открытого канала R_DS(on) при заданном блокирующем напряжении. По сравнению с кремнием (и в еще большей степени с карбидом кремния, SiC) GaN обладает худшей теплопроводностью (около 1,3 Вт/см·К против 1,5 Вт/см·К при 300 К), что требует тщательного подхода к проектированию силовой сборки и выбору соответствующих технологий корпусирования, способных эффективно рассеивать тепло. Замена кремниевых приборов на транзисторы GaN в ряде приложений позволяет уменьшить размеры и вес электронных систем, а также снизить их энергопотребление и стоимость.

Рынок силовых приборов на основе GaN быстро растет, что обусловлено спросом на все более эффективные решения в таких областях применения, как электротранспорт, системы телекоммуникации, облачные хранилища, преобразователи напряжения и многое другое. В статье описаны некоторые приложения на основе GaN, не только открывающие новые возможности для расширения рынков, но и требующие решения ряда технологических проблем.

Моторные приводы

Благодаря своим уникальным свойствам приборы на основе нитрида галлия рассматриваются в качестве альтернативы традиционным кремниевым MOSFET- и IGBT-транзисторам в моторных приводах. Применение технологии GaN позволяет в 1000 раз повысить частоту переключения (по сравнению с кремнием), в сочетании с меньшими статическими и динамическими потерями это позволяет разрабатывать эффективные, легкие и компактные решения.

Переход на более высокие частоты коммутации (скорость переключения силового транзистора GaN может достигать 100 В/нс) означает сокращение размеров и стоимости моточных изделий и фильтрующих конденсаторов. Благодаря низкому сопротивлению канала R_DS(on) уменьшается тепловыделение, повышается энергоэффективность, улучшаются массогабаритные показатели. По сравнению с кремниевыми приборами ключи на основе GaN требуют применения конденсаторов, имеющих большее рабочее напряжение, способных выдерживать высокие значения dV/dt и отличающихся низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Еще одно преимущество GaN — высокое напряжение пробоя затвора (50–100 В, у других приборов типовое значение 15–20 В), соответственно, эти силовые ключи надежно работают при больших входных сигналах. Высокая частота коммутации гарантирует системам на базе нитрида галлия расширенную полосу пропускания — таким образом, могут быть реализованы более жесткие алгоритмы управления двигателем. Благодаря этому частотно-регулируемые приводы (VFD) способны работать с эффективностью, недостижимой при использовании обычных Si MOSFET и IGBT. Кроме того, VFD-привод с инвертором GaN обеспечивает очень точное регулирование, что помогает поддерживать нагрузку на требуемой скорости за счет ее прецизионного контроля.

На рис. 1 показана эталонная схема привода TI TIDA-00909, содержащего трехфазный инвертор с тремя полумостовыми модулями GaN. Эти ключи имеют бóльшую скорость коммутации, чем кремниевые аналоги, у них меньше паразитные индуктивности и потери, выше производительность, что позволяет сократить размеры радиатора или вообще отказаться от него. Благодаря очень низким динамическим потерям инвертор на основе GaN может работать на повышенной частоте ШИМ (F_sw до 100 кГц) и обеспечивать при этом пиковую эффективность до 98,5%.

Рис. 1. Высокоскоростной электропривод с трехфазным инвертором GaN (источник: Texas Instruments)

Системы 5G

Применение GaN-приборов, способных эффективно усиливать высокочастотные сигналы даже в диапазоне нескольких ГГц, открывает конкретные и очень интересные перспективы в радиочастотном секторе. Высокочастотные усилители и передатчики на основе нитрида галлия могут работать на значительных расстояниях, что делает их пригодными для таких применений, как радары, системы раннего предупреждения, спутниковая связь и базовые станции.

Мобильная технология поколения 5G отличается большей пропускной способностью и эффективностью, малыми задержками и расширенными возможностями по охвату территории. Использование различных частотных диапазонов, таких как поддиапазон 6 ГГц и миллиметровые волны (свыше 24 ГГц), требует применения новых полупроводниковых материалов, обеспечивающих широкую полосу пропускания, высокую плотность мощности и предельные показатели эффективности. Благодаря своим физическим свойствам и кристаллической структуре при том же рабочем напряжении GaN-приборы функционируют на более высоких частотах коммутации, чем аналогичные MOSFET, занимая гораздо меньшую площадь.

Для новейших технологий 5G, таких как MIMO и mmWave, необходимы специальные радиочастотные интерфейсные чипсеты. Технология GaN-on-SiC, сочетающая большую плотность мощности GaN с высокой теплопроводностью и пониженными радиочастотными потерями SiC, оказывается оптимальным решением для мощных 5G- и RF-приложений. Сегодня на рынке доступно несколько подобных устройств, в частности это малошумящие усилители для 5G MIMO-приложений и многоканальные коммутаторы.

Беспроводная передача энергии

Одним из инновационных применений технологии GaN является беспроводная зарядка, где высокая эффективность позволяет снизить потери мощности за счет передачи большего количества энергии на приемные устройства. Подобные системы, созданные на базе GaN-приборов, обычно содержат радиочастотный приемник и усилитель мощности, работающие на частоте 6,78 или 13,56 МГц. По сравнению с традиционными устройствами на основе Si-ключей применение транзисторов GaN позволяет существенно снизить размеры изделия. В качестве примера можно привести БПЛА, в которых доступное пространство крайне ограничено, и зарядка дрона выполняется при его зависании на небольшом расстоянии от зарядника.

Габариты наиболее эффективных интегрированных устройств беспроводной передачи энергии на базе GaN в 2–3 раза меньше, чем у традиционных систем подобного назначения. Это в свою очередь снижает общую стоимость системы. Транзисторы GaN e-HEMT с рабочим напряжением 650 В становятся оптимальным выбором для создания эффективных зарядных устройств мощностью в диапазоне 10 Вт…< 2 кВт.

Центры обработки данных

Сочетание нитрида галлия с кремнием открывает широкие возможности при проектировании центров обработки данных, повышение производительности которых в совокупности со снижением затрат имеет важнейшее значение. В подобных системах, где облачные серверы работают в режиме «24×7», интенсивно используются преобразователи напряжения с типовыми значениями 48, 12 В и менее для питания ядер многопроцессорной системы. В условиях стремительного роста мирового производства электроэнергии эффективность ее преобразования стала ключевым фактором для потребителей, стремящихся достичь «чистого нуля» потерь, в том числе компаний, эксплуатирующих центры обработки данных и сервисы облачных вычислений.

Центрам обработки данных требуется все больше энергии при меньшем занимаемом объеме, эту задачу в значительной степени решает технология GaN, обеспечивающая повышение эффективности преобразователей и источников питания, уменьшение
их размеров и упрощение систем охлаждения, что в конечном итоге приводит к снижению затрат. В подобных системах распространены AC/DC-преобразователи c входным корректором коэффициента мощности (ККМ, PFC), контролирующим напряжение на DC-шине, от которой питаются понижающие DC/DC-каскады, формирующие гальванически изолированные и регулируемые DC-выходы (48, 12 В и т. д.). Узел PFC обеспечивает синхронизацию входного тока источника питания с сетевым напряжением, тем самым максимизируя реальную мощность. Тотемно-полюсный корректор коэффициента мощности на основе GaN (рис. 2) является оптимальной топологией по соотношению эффективности и плотности мощности.

Рис. 2. Блок-схема тотемно-полюсного ККМ (PFC)

Проблемы применения GaN

Исторически сложилось так, что основными проблемами, которые необходимо преодолеть для широкого распространения технологии GaN, стали надежность и цена. Основные вопросы, связанные с надежностью, в большей степени решены, и коммерческие продукты уже способны гарантировать среднее время наработки (MTBF) более 1 млн ч эксплуатации при температуре кристалла выше +200 °C. Хотя изначально GaN-приборы были намного дороже конкурирующих силовых ключей на основе кремния, разница в цене заметно сократилась благодаря переходу производства GaN с 2- и 4-дюймовых пластин на 6-дюймовые, а в последнее время и на 8-дюймовые (200 мм). Последние разработки и постоянное совершенствование технологических процессов позволяют снижать затраты на производство GaN-приборов, делая их цену все более конкурентоспособной.

Технология GaN: вызовы и перспективы развития. Десять вопросов про GaN

Материалы с широкой запрещенной зоной, такие как нитрид галлия (GaN), позволяют вывести характеристики электронных компонентов на новый уровень. Силовые ключи на основе GaN имеют ряд важных преимуществ по сравнению с кремниевыми приборами. Прежде всего, это компактные размеры, более высокая плотность мощности и эффективность, меньшие потери переключения и лучшие тепловые характеристики. Перечисленные факторы имеют решающее значение для удовлетворения все более жестких требований, предъявляемых к таким системам, как ВЧ-конвертеры, радиочастотные (RF) усилители, источники питания и зарядные устройства.

10 основных вопросов про GaN

1. Почему ширина запрещенной зоны GaN настолько важна?

В течение нескольких десятилетий большинство силовых электронных ключей выпускалось на основе кремния — полупровод­никового материала с невысокими производственными затратами и минимальными дефектами структуры. В настоящее время физические возможности Si почти полностью исчерпаны, что подчеркивает основные ограничения этого материала, включая блокирующую способность, возможности теплопередачи, эффективность и потери проводимости. Полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), такие как нитрид галлия (GaN), превосходят кремний по важнейшим параметрам, к которым относятся эффективность преобразования, частота коммутации, рабочая температура и напряжение.

Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,2 эВ, что почти в три раза выше, чем у кремния (1,1 эВ). Это означает, что для возбуждения валентного электрона в проводящей зоне GaN требуется больше энергии. Данное свойство ограничивает использование нитрида галлия в низковольтных приложениях, однако преимущество этого материала заключается в том, что он имеет большее пробивное напряжение и лучшую тепловую стабильность при более высоких температурах. Применение GaN значительно повышает эффективность преобразования мощности, что делает его хорошей заменой Si при производстве импульсных преобразователей напряжения, силовых MOSFET-транзисторов и диодов Шоттки. Замена кремния на нитрид галлия в высокочастотных системах дает возможность повысить энергоэффективность, снизить габариты, вес и общую стоимость изделия.

2. Насколько GaN похож на SiC?

Нитрид галлия и карбид кремния — это материалы с широкой запрещенной зоной. Оба они обладают выдающимися физическими свойствами, однако их характеристики, область применения и требования к управлению изолированным затвором различаются. Карбид кремния может заменить IGBT в ряде систем высокой мощности при напряжении свыше 650 В. Аналогичным образом GaN способен конкурировать с существующими MOSFET- и SJ MOSFET-ключами в низковольтных приложениях (до 650 В).

3. Чем отличаются режим истощения и расширенный режим?

Базовая структура GaN-транзистора, работающая в так называемом d-режиме, или режиме истощения, показана в верхней части рис. 3. Выводы истока (S) и стока (D) проходят через верхний слой AlGaN, образуя омический контакт с нижележащим слоем, сформированным двухмерным электронным газом (2DEG). Короткое замыкание между истоком и стоком остается активным до тех пор, пока не истощатся электроны, высвобождаемые слоем 2DEG. Далее в процесс вмешивается «полуизолирующий» слой GaN, блокирующий протекание тока. Чтобы это произошло, вывод затвора (G) должен быть размещен поверх слоя AlGaN.

Рис. 3. Структура GaN в режиме истощения и расширенном режиме (источник: EPC)

Обычно терминал затвора образуется контактом Шоттки, размещенным непосредственно на поверхности слоя. При подаче отрицательного напряжения на этот вывод барьер Шоттки поляризуется в обратном направлении, что способствует движению электронов в нижележащем слое. Таким образом, для перевода прибора в выключенное состояние отрицательное напряжение следует подать по отношению как к стоку, так и к истоку. Основным недостатком описанной структуры является то, что в нормальном состоянии канал оказывается включенным, что создает потенциальные проблемы при проектировании. Однако в d-режиме GaN-ключ по характеристикам затвора практически не отличается от традиционного низковольтного Si MOSFET, что позволяет использовать для управления стандартные драйверы затвора MOSFET.

В системах высокой мощности применен улучшенный вариант структуры eGaN (рис. 3). Когда на затвор не подано напряжение, транзистор находится в выключенном состоянии и ток не протекает. Такой ключ изготавливается из кремниевой пластины, на которую наносится гетеропереход из нитрида галлия. Проводящий канал выполняется нанесением тонкого слоя AlGaN поверх высокопрочного слоя нитрида галлия. На границе раздела между AlGaN и GaN создается пьезоэлектрическое напряжение, формирующее высокомобильный двухмерный электронный газ (2DEG). Верхний слой прибора образован диэлектрическим слоем, защищающим металлизированные трассы. Подобная структура позволяет транзистору переходить во включенное состояние при подаче положительного напряжения на затвор.

4. Как GaN работает на высоких частотах?

Транзисторы с высокой подвижностью электронов GaN HEMT (High Electron Mobility Transistors) обеспечивают хорошее сочетание статических (сопротивление открытого канала R_DS(on)) и динамических характеристик. В зависимости от номинального напряжения и тока они в 4–10 раз превосходят SJ FET по этому показателю. Приборы GaN предназначены для работы только на высоких частотах. В свою очередь использование ключей GaN HEMT с малым значением R_DS(on), то есть низкими потерями проводимости, позволяет получить высокую эффективность в широком диапазоне применений.

5. Имеет ли GaN тельный диод?

Транзисторы GaN HEMT не имеют технологического тельного диода, следовательно, заряд их обратного восстановления равен нулю. Однако по своей природе эти приборы способны к обратной проводимости, характеристики которой зависят от напряжения на затворе. На системном уровне обратная проводимость может быть преимуществом по сравнению с традиционными IGBT, поскольку в этом случае не требуется установка антипараллельных диодов.

Благодаря отсутствию потерь обратного восстановления GaN-ключи обеспечивают высокую эффективность даже на больших частотах коммутации. Например, в тотемно-полюсном корректоре коэффициента мощности (PFC), работающем в режиме непрерывной проводимости (CCM), применение SJ MOSFET (полевых транзисторов с суперпереходом) нецелесообразно из-за высоких потерь обратного восстановления E_rr. Как показано на рис. 4, использование транзисторов GaN во входном ВЧ-каскаде полностью устраняет влияние E_rr, что значительно снижает суммарный уровень динамических потерь.

Рис. 4. Тотемно-полюсный PFC с высокочастотными ключами GaN (источник: TI)

6. Почему высокое электрическое поле пробоя GaN является преимуществом?

По сравнению с кремнием, нитрид галлия имеет более высокое электрическое поле пробоя и, следовательно, более высокое блокирующее напряжение. У GaN эта величина составляет 3,3 МВ/см (для сравнения: поле пробоя Si всего 0,3 МВ/см). Таким образом, нитрид галлия способен выдерживать в десять раз более высокое напряжение, что позволяет производить высоковольтные малогабаритные силовые модули GaN.

7. В чем основное преимущество GaN для радиочастотных приложений?

Подвижность электронов у нитрида галлия (2000 см²/В·с) намного выше, чем у кремния, для которого этот показатель составляет 1500 см²/В·с. В результате электроны в кристаллах GaN могут перемещаться на 30% быстрее, чем в Si. Это уникальное свойство дает нитриду галлия важное преимущество при использовании в радиочастотных (RF) приложениях, поскольку он может работать на более высоких частотах переключения, нежели кремний.

8. Является ли проблемой низкая теплопроводность GaN?

Нитрид галлия обладает худшей теплопроводностью в сравнении с кремнием (1,3 Вт/см·К против 1,5 Вт/см·К), однако его высокая эффективность помогает снизить тепловые нагрузки. Это означает, что в реальных условиях чипы GaN будут работать при меньшей температуре, чем Si. В результате упрощается отвод тепла и в некоторых случаях даже можно отказаться от радиатора.

9. Каковы требования к dv/dt для транзисторов GaN?

По сравнению с кремнием нитрид галлия поддерживает большую скорость переключения и, следовательно, требует более высоких скоростей изменения напряжения (dv/dt = 100 В/нс и более). Это помогает значительно снизить динамические потери, однако создает проблемы, связанные с коммутационными перенапряжениями и EMI.

10. Требуется ли отрицательное напряжение для выключения GaN?

Усовершенствованные GaN HEMT не обязательно требуют отрицательного напряжения на затворе V_Goff для блокировки транзистора. Отрицательное значение V_Goff защищает от скачков напряжения на затворе, но в то же время увеличивает потери в режиме обратной проводимости. Выключение затвора сигналом –V_Goff, как правило, используется для защиты от ложного срабатывания при открывании оппозитного транзистора или во время переходных процессов. Однако доступные в настоящее время на рынке драйверы затворов eGaN не формируют отрицательное напряжение V_Goff, поскольку это увеличивает потери обратной проводимости, усложняет схему и влечет за собой дополнительные затраты.

Технология GaN: вызовы и перспективы развития. Будущее нитрида галлия

На выставке PCIM-2020 (она проходила в цифровом формате) несколько компаний продемонстрировали свои последние разработки в области нитрида галлия. Согласно отчету Yole «GaN Power 2021» в 2020 году рынок силовых приборов GaN удвоился, особенно впечатляющий рост продемонстрировал сектор быстрых зарядных устройств для смартфонов. Технология нитрида галлия также занимает лидирующее положение в телекоммуникационных и автомобильных приложениях.

В отчете «GaN Power 2021» отмечено, что наиболее успешными в технологии нитрида галлия стали Xiaomi, Lenovo, Samsung, Realme, Dell и LG, а также ряд китайских компаний. Указано, что рынок потребительских приборов на основе GaN станет основным драйвером роста и его доля в 2026 году может превысить 60%. По прогнозам, общий объем рынка GaN увеличится с $46 млн в 2020 году примерно до $1,1 млрд в 2026 году при среднегодовом темпе росте 70% (рис. 5). Внедрение технологии нитрида галлия имеет решающее значение для реализации инициатив в области энергоэффективности, включая требования ЕС Lot 9 к высокоэффективным блокам питания. Отмечается, что потенциал приборов GaN с высокой подвижностью электронов по сравнению с карбидом кремния обусловлен их физическими свойствами, такими как более высокое критическое электрическое поле.

Рис. 5. Прогнозы развития рынка GaN на 2020–2026 годы (источник: Yole)

Компания GaN Systems объявила о поставке 20-млн транзистора GaN и 40-кратном расширении объема производства. Представлен новый 650-В 60-А транзистор (GS-065-060-5-T-A), предназначенный для широкого спектра применений на автомобильном рынке, начиная с DC/DC-конвертеров, тяговых инверторов электромобилей и заканчивая электронными усилителями рулевого управления. Эти изделия соответствуют ведущему в отрасли стандарту квалификации AutoQual+, регламентирующему требования по надежности для автомобильной электроники.

Компания Experian анонсировала новейшие GaN-ключи второго поколения с сопротивлением канала R_DS(on) менее 35 мОм. Транзисторы GaN FET предназначены для однофазных промышленных AC/DC и DC/DC импульсных источников (SMPS) мощностью 2–10 кВт. В первую очередь они используются в блоках питания серверов и телекоммуникационных систем, которые должны соответствовать требованиям по энергоэффективности 80 PLUS Titanium. Эти приборы также отлично подходят для разработки солнечных инверторов и сервоприводов в указанном диапазоне мощности.

Технология EPC GaN для систем ToF/LiDAR (измерители расстояния между датчиком и объектом) применяется в широком спектре приложений, от беспилотных летательных аппаратов до робототехники, автономных транспортных средств и даже пылесосов. Быстро растет сектор моторных приводов для робототехники, дронов, электронных скутеров и электровелосипедов, где GaN предлагает малогабаритные и недорогие решения с уменьшенным уровнем звуковых шумов, повышенной эффективностью и более высокой точностью позиционирования. Очень перспективным является космический сектор, где GaN-ключи имеют огромные преимущества по электрическим и радиационным характеристикам по сравнению с существующими MOSFET (рис. 6).

Рис. 6. Дорожная карта силовых модулей GaN (источник: Yole)

Карбидкремниевые приборы обладают отличными тепловыми характеристиками, но из-за дорогостоящей вертикальной архитектуры SiC-on-SiC, усложняющей твердотельное интегрирование, а также из-за недостаточно высокой скорости переключения сектор силовых ключей SiC ограничен применениями высокой мощности, такими как ветряные турбины и приводы электролокомотивов. Боковая структура GaN и недорогая технология GaN-on-Si делают возможным производство высокоскоростных и многофункциональных силовых IC GaN, которые обеспечивают появление следующего поколения широкого класса устройств, от быстрых мобильных зарядников и телевизоров 8K до быстрых бортовых зарядных устройств электромобилей.

В отчете Yole подчеркивается, что в долгосрочной перспективе, если технология GaN докажет свою надежность и высокую токонесущую способность при конкурентной цене, она может проникнуть на более сложный рынок инверторов для электрических и гибридных транспортных средств (EV/HEV), а также на консервативный рынок промышленных инверторов. Это создаст замечательные возможности для резкого наращивания объемов производства приборов GaN. Компании Experian и Vidic работают над внедрением GaN в EV-инверторы, способные конкурировать с решениями на основе SiC и Si.