氮化鎵是近兩年才進入大眾視野，成為半導體行業的熱門話題之一。其實，人們在很早的時候就已經開始使用第三代半導體了。十年前，我國的****射頻功放基本上就是用氮化鎵來做的。然而氮化鎵火出圈，卻是在小米10的發布會上，因為雷軍的一頓夸加上受消費者青睞，氮化鎵快充成為了手機圈的潮流。

氮化鎵快充火爆的背后，除了受消費者需求影響，是否還有其他原因？為什么快充會率先用到氮化鎵呢？日前，在深圳舉辦的第九屆EEVIA年度中國電子ICT媒體論壇暨2021產業和技術展望研討會上，聽完英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監程文濤先生的演講《低碳互聯時代的第三代半導體技術發展演進》，筆者找到了答案。

程文濤 英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監

發表演講《低碳互聯時代的第三代半導體技術發展演進》

為什么快充會先用到氮化鎵？

日常生活中用到的電源轉換里面，第三代半導體是比較少見，主要原因是它的成本高。然而，快充這一產品本來理應對價格非常敏感，為什么會先用到氮化鎵器件呢？

作為第三代半導體，氮化鎵有三個特征：開關頻率高、禁帶寬度大、更低的導通電阻。它在充電器上的優勢體現在：體積小，重量輕；功率密度大，效率高但不容易發熱；手機、筆記本都能充，兼容多個設備。它的這些特點很好的滿足了消費者對快充的需求。除此之外，快充會先用到氮化鎵器件，還是市場催生出來的一個做法。

“因為氮化鎵這種材料，到目前為止，它的誕生是有些年頭了，但是真正在功率轉換領域的商用規模還不夠大。規模不夠大的時候，一些潛在的可靠性的問題，就不足以把它暴露出來。用什么方式來驗證這種東西的可靠性呢？手機的快充是最好的選擇，這就是為什么市場選擇了快充率先使用氮化鎵的一個主要原因，這也是一個很有趣的話題。當市場通過這樣大規模的方式把新材料、可靠性驗證了之后，我們相信應該是很快的在一些工業領域，會看到更多的第三代半導體應用。” 程先生在演講中解釋道。

換言之，氮化鎵是比較新的材料，還有很多失效模式并沒有被完全理解消化。若是想驗證氮化鎵器件的可靠性，一個比較好的辦法是將其放到實際應用中去。好不好，一用便知。當然，應用的規模要大，量要多，這樣才能有深入的了解。快充正好滿足了大量應用的條件，而氮化鎵器件又滿足了快充高功率充電的需求。同時，消費領域不像工業、汽車等需要非常高的可靠性，現有的氮化鎵器件的可靠性就能滿足。氮化鎵、快充，兩者一拍即合，攜手破圈。

什么影響了氮化鎵器件的可靠性？

上文我們提到了氮化鎵器件的可靠性，是什么影響了它的可靠性呢？是材料本身，還是工藝問題？單就氮化鎵這個材料而言是沒什么問題的，氮化鎵器件的制作門檻也不高，但是它不好做得一致、不好做得可靠。材料是個好材料，可如何將氮化鎵器件做得可靠卻是難點。

為什么這么說呢？讓我們看下氮化鎵器件的結構。

英飛凌 600V CoolGaN器件結構

典型GaN HEMT器件結構示意圖（來源：氮化鎵科技匯）

氮化鎵器件的結構是，在硅基襯底上往上長氮化鎵的外沿。這里要克服一個問題，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是電失效、熱失效，但第三代半導體，包括氮化鎵、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一樣。因為它是一個各向異性的材料，兩種元素化合的。它在開關的過程中會產生所謂的介電效應，因為介電效應會產生機械形變，積累到一定程度就壞了。這是第三代半導體普遍的失效模式。要長這個外延的目的就是從硅上面慢慢過渡到氮化鎵，所以底下這些是被拿來犧牲的，底下這塊時間久了以后，里面的一些晶體結構是注定要壞的，反正它不承擔導電的任務，但是承擔導電任務的部分，必須要被緩慢的過渡到不被介電效應所影響。這個工藝說起來簡單，但是掌握起來非常困難。

第三代半導體：提升能效的關鍵

據數據顯示，當前溫室氣體排放量的三分之二來自能源部門；全球能源需求的三分之一左右是用電需求。能效正成為實現全球氣候目標的重要杠桿，高能效解決方案對于促進全球發展和滿足由此產生的能源需求越來越重要。

在功率轉換領域，如何提高效率呢？辦法是導通損耗要盡可能的少。目前普遍應用的硅基半導體的導通損耗最低能達到0.4 Ω mm2，已經到達了它的物理極限。但是第三代半導體不同，它們會一直沿著降低導通損耗的趨勢發展。比如在交流電轉到48V的領域，第三代半導體的能效高達98%。

高壓半導體器件的Ron x A 路線圖

放眼能源轉換，尤其是交流轉直流的部分，在節能減排方面我們能做的事情已經不太多了。其實現在擔負節能減排責任更重要的是CPU跟射頻****部分，這兩個部分的效率是整個從產生電到用電部分的瓶頸所在。但是在能效轉換部分，第三代半導體是能夠在我們有限提升的基礎上，再往前跨一步的關鍵因素。

雖然現在電源轉換已經達到了96%的效率，并朝著98%的效率發展，但是用第三代半導體，哪怕是提升了一點點，節省出來的電數額也非常龐大。以英飛凌的CoolGaN產品為例，如果美國的每個數據中心都是用它，那么每年可節省40億度電，減少二氧化碳排放量200萬噸。