寬禁帶科技論|底部與頂部皆大有可為：GaN功率器件與應用的前瞻展望

近日，香港大學先進半導體與集成電路中心張宇昊教授團隊聯合英飛凌、香港微電子研究中心、弗吉尼亞理工大學電力電子系統中心以及劍橋大學等多家頂尖機構，在國際電力電子領域頂級期刊IEEE Transactions on Power Electronics創刊40周年特刊上，發表題為“Plenty of Room at the Bottom and Top: Future Perspectives on GaN Power Devices and Applications”的前瞻展望論文。該文指出，GaN功率器件在30–900 V范圍已取得商業成功，但在低電壓（<30–50 V）和高電壓（>1 kV）兩端仍有廣闊空間，從基礎器件架構到單片集成均存在重大創新機遇。

過去十年間，氮化鎵高電子遷移率晶體管已成為主流功率器件，特別是在30–900 V范圍內。GaN HEMT已在快充、消費電子以及工業和汽車系統中得到廣泛商業化，全球市場規模超過11億美元，預計2027年將達到20億美元。這一成功主要源于GaN的優異材料特性——高電子遷移率、寬禁帶和高臨界電場——共同實現了開關頻率、效率、功率密度和變換器體積的顯著改善。

除性能優勢外，GaN在制造和成本方面也具備顯著優勢。GaN-on-Si和GaN-on-sapphire襯底支持大尺寸晶圓，單位面積材料成本在寬禁帶和超寬禁帶半導體中最低。然而，盡管取得了這些成就，GaN的全部潛力遠未充分實現。 借用Richard Feynman的著名論斷，GaN功率電子的最新進展表明，無論是在電壓等級還是集成規模上，都存在廣闊的發展空間。

該圖展示了全文的論述范圍，涵蓋從低電壓到高電壓的器件進展、GaN單片集成與雙向開關、極端環境應用以及相應的應用場景。在低電壓端，GaN MOS-HEMT和多柵極架構推動AI處理器供電、人形機器人和LiDAR等應用發展；在高電壓端，橫向和縱向GaN器件支撐電動汽車、eVTOL和固態斷路器等領域。圖中還標注了GaN BDS在交流功率變換中的變革潛力以及量子與航空航天等極端環境應用，勾勒出GaN功率技術的完整版圖。

傳統p-GaN柵極HEMT在低電壓下面臨縮放限制，隨著電壓等級降低，溝道電阻逐漸成為導通電阻的主導成分。計算表明，在30 V耐壓時，溝道電阻可貢獻導通電阻的約60%。p-GaN柵極所需較厚的p-GaN層不僅導致單位面積柵電容較小，而且限制了柵長縮小的能力。

Intel開發的增強型GaN MOS-HEMT采用凹槽AlInN勢壘和高k HfO?柵介質，將柵極置于距二維電子氣溝道10 nm以內，柵長可縮小至30 nm。該器件實現了行業最佳的開關優值，R_onC_oss為70–115 fs，R_onQ_G低于4 mΩ·nC，在10–100 V耐壓范圍內分別超越Si MOSFET和p-GaN柵極HEMT達25倍和10–100倍。這些指標確立了GaN MOS-HEMT作為最佳n溝道器件的地位。

數據中心消耗了美國2023年總電力的約4%，預計到2030年將翻倍以上。48 V母線到處理器核心電壓（0.7~1 V）的轉換級是整個供電架構的效率瓶頸。 垂直供電被視作一種有前景的解決方案，通過將電壓調節模塊小型化至AI處理器尺寸并直接安裝在芯片下方，可顯著縮短互連長度并降低損耗。

基于當前基準設計并假設無源元件尺寸隨開關頻率反比縮小，保守預測表明，GaN器件可將電壓調節模塊的開關頻率提升3倍，功率密度提升1.5至2.5倍， 為垂直供電的實現消除關鍵障礙。在12 V轉1 V功率模塊中，GaN技術預計可使功率密度提升超過2倍。

圖中展示了人形機器人的功率系統，包括高密度電池（如48 V）、DC-DC功率變換模塊、三相電機及其逆變器，以及基于LiDAR的感知系統。單臺人形機器人實現高自由度復雜運動通常需要19–47臺伺服電機，功率水平從數瓦到數千瓦不等，整體需要數百顆GaN器件。利用高頻開關能力，GaN器件可實現更精確的關節電機控制、更小的模塊尺寸和顯著的開關損耗降低。 此外，GaN器件的小尺寸使其非常適合集成到機器人關節的有限空間內。主要GaN器件制造商已報告在機器人系統中采用GaN芯片，快速發展的機器人領域有望成為低電壓GaN功率器件的重要市場驅動因素。

千伏級器件的需求由800 V電動汽車系統和中等電壓并網變換器等應用驅動。Si IGBT受限于開關速度，SiC MOSFET仍成本較高，GaN提供了具有高頻能力、優異性能極限和潛在成本優勢的替代方案。

在橫向器件方面，極化超結HEMT利用III族氮化物中的內置匹配極化電荷形成電荷平衡漂移區，Panasonic已展示10.4 kV概念驗證器件。多溝道單片級聯HEMT實現10 kV增強型器件，比導通電阻39 mΩ·cm2，超越了SiC的理論一維極限。

在縱向器件方面，NexGen的1.2 kV垂直GaN Fin-JFET實現了0.82 mΩ·cm2的低比導通電阻，在200 °C下閾值電壓穩定大于2 V，變換器運行中未出現動態導通電阻退化， 雪崩能量超過10 J/cm2，短路耐受時間達40 μs，遠超大多數Si和SiC晶體管。基準顯示，多個1.2 kV垂直GaN器件的性能已超越SiC的材料極限。

電動汽車行業正從400 V向800–1500 V架構過渡，要求1.2 kV或更高電壓等級的功率器件。GaN器件憑借優異性能和相比SiC MOSFET更低的成本潛力，有望進入這些應用。

在車載充電器中，基于650 V GaN HEMT的方案相比基于SiC MOSFET的方案總功率損耗降低35%–55%。近期100 kW全GaN逆變器實現了超過99%的效率和超過60 kW/L的功率密度。下一代高電壓GaN器件有望在這些汽車系統中實現進一步改善。

eVTOL飛行器典型電壓范圍為400 V至1000 V，是高壓GaN器件的理想應用場景。與電動汽車相比，eVTOL更強調重量和體積的減輕，同時要求更高效率、更大功率密度和更強可靠性。基于GaN的系統預計將在效率和功率密度上超越SiC。

GaN HEMT作為橫向器件，天然適合單片集成。可實現的集成度范圍從分立HEMT到集成柵極驅動和片上感測功能的功率級，再到包含閉環控制的全系統級芯片解決方案。 更高的器件價格可能暫時阻礙GaN IC的廣泛采用，但邁向更高集成度的進程已經明確啟動。

單片GaN雙向開關是一項真正具有變革意義的創新，超越了當前Si路線圖。通過將兩個GaN HEMT的柵-漏漂移區合并為單一共享區域，GaN BDS相比分立方案實現了4倍的芯片面積節省。 其兩個柵極的獨立控制提供總共四種器件工作模式，允許器件在兩個方向上阻斷電壓和傳導電流，使其成為高效管理交流功率的理想選擇。650 V GaN BDS已由Infineon等廠商推出，Enphase Energy計劃在其即將推出的IQ9光伏微逆變器中采用該技術。

GaN技術正被越來越多地視為未來量子計算系統的關鍵使能技術。與傳統摻雜器件在深低溫下無法完全工作不同，GaN HEMT憑借極化誘導的二維電子氣，天然免疫載流子凍結效應。 650 V p-GaN柵極HEMT在10 mK下展示了完整的柵極控制功能和高耐壓能力，動態導通電阻問題在深低溫下被有效消除，器件導通電阻較室溫降低4倍。這些能力使GaN器件成為可擴展量子控制電子學中極具前景的候選方案。

在高溫應用方面，p-GaN柵極HEMT已展示在500 °C下穩定的晶體管工作，并可在模擬金星環境（460 °C，92 atm）中存活10天。GaN環形振蕩器可在500 °C下工作，單片IC已展示在300 °C下穩定運行。

（1）在低電壓領域，多柵極和MOS-HEMT等先進架構為充分發揮GaN的材料優勢提供了機會。 這些器件有望在AI處理器供電、人形機器人和LiDAR等新興應用中發揮關鍵作用。

（2）在高電壓領域，超結和多溝道等多維結構展示了橫向和縱向GaN技術向更高電壓擴展的潛力。 1.2 kV垂直GaN晶體管性能已超越SiC材料極限。

（3）GaN BDS的固有問題解決了長期以來對理想交流開關的需求。該技術有望在光伏微逆變器、電機驅動和AC-DC變換器中實現變革性應用。

（4）GaN器件在深低溫和高溫極端環境下均展現出獨特優勢， 為量子計算和航空航天等領域的系統集成提供了新路徑。

正如Si演變為具有多種功率器件架構的通用平臺一樣，GaN有潛力成為“新Si”，提供從幾伏到幾千伏的可擴展解決方案。 確保長期可靠性和穩健性仍是緊迫的研究重點。GaN的快速開關速度引入電磁兼容性挑戰，需要先進的電路設計工具和有效的EMI抑制元件。此外，開發穩健的基于物理的緊湊模型對于精確電路仿真和電力電子設計人員的廣泛采用至關重要。