AI驅動下的數據中心熱潮或許終有一天會降溫。但在資金持續涌入的當下，將AI加速器塞進19英寸機架的需求，正在深刻改變電力輸送的方式。
幾年前，在板卡級別直接從800V轉換到12V似乎還不切實際。但隨著機架級配電中的電阻損耗逐漸加劇，將電壓維持在較高水平甚至接近負載端已變得至關重要。同時，還需要解決將數千瓦級電網交流電高效轉換為直流配電電壓的難題。
氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導體正在賦能這些變革。在服務器刀片旁的電源機架中，氮化鎵供應商正在利用該材料以擊穿電壓換取極低導通電阻的特性。氮化鎵之所以能在功率電子領域快速普及，受益于一個關鍵前提：大約20年前，功率應用領域開始認真考慮將氮化鎵用于器件制造，從此啟動了這條工藝成熟曲線，而今天的氮化鎵正是沿著這條曲線走到了量產階段。
即使數據中心熱潮退去，當前開發的功率轉換策略同樣可遷移至直流微電網及工業級可再生能源場景，具備明確的技術復用價值。
對于更高電壓的應用，另一種形式的鎵——氧化鎵——正在進入視野。氧化鎵與金剛石和氮化鋁同屬超寬禁帶材料家族，后兩者近年來也受到越來越多的關注。它們的禁帶寬度在5V范圍——比氮化鎵高出約1.5V。這一提升將導通電阻與擊穿電壓性能極限圖中的理論極限進一步向左下方推遠。在實際應用中，氧化鎵的高壓潛力正在吸引廣泛關注，但其商業化的節奏將很大程度上取決于工程師如何解決其工藝問題，其過程將與過去二十年氮化鎵和碳化硅的進展相似。
成本優勢
康奈爾大學衍生公司Gallox Semiconductor將氧化鎵定位為一種潛在的更低成本高壓半導體方案。與氮化鎵不同，氧化鎵不需要疊層在硅、藍寶石或其他襯底上。氧化鎵可以像硅一樣從熔體中生長，且成本遠低于制造碳化硅晶圓，因為其工藝速度快得多。
美國國家可再生能源實驗室2020年的一份報告估計，氧化鎵晶圓的價格至少比碳化硅晶圓便宜三倍。
氧化鎵體晶圓的可用性為垂直晶體管制造提供了基礎，使其在高壓場景中展現出結構上的先天優勢。氧化鎵生產的初始成本可能較高。與生長碳化硅所用的消耗性石墨坩堝不同，氧化鎵需要由更昂貴的銥制成的坩堝。制造商需要開發一種工藝，既能高效回收貴金屬，又能充分利用較低的能源成本。
圖1：右圖顯示了硅、碳化硅和氧化鎵在擊穿電壓和導通電阻方面的性能邊界。左圖展示了禁帶寬度與最大電場強度（決定擊穿電壓）的關系。
氧化鎵的弱點：熱導率與高溫退化
該材料的一大弱點在于較差的熱導率，而且這種熱導率并非恒定不變——熱量在不同方向上的傳導效果不同，盡管差異不大。碳化硅的熱導率是氧化鎵的十倍以上，結果就是產生大量的自熱效應。
與碳化硅一樣，氧化鎵的熔點為1800°C，能夠承受相當程度的熱沖擊。但這種承受能力是有限度的。實驗表明，在超過400°C時電流會下降。更糟糕的是，擊穿電壓可能發生永久性退化，幅度高達60%。這可能與氧化鎵與電接觸所用金屬之間界面不夠干凈有關。另一個因素可能是各層之間的材料在高溫下開始擴散。
散熱方案探索
世界各地的研究團隊正在尋找克服氧化鎵局限性的方法。布里斯托大學物理學教授Martin Kuball領導的團隊提出的一種方案是將氧化鎵與金剛石結合來改善散熱。金剛石的導熱性能大幅領先于電子學領域所采用的絕大多數材料。
金剛石可以簡單地用作橫向晶體管下方的散熱片。布里斯托團隊提出了一種更深入的集成方案——在垂直氧化鎵部分之間設置金剛石柱，最初的設計借鑒了現有的硅超級結結構，用于肖特基二極管。超級結器件依靠多個平行“指狀”結構將電流分散到許多并聯的子器件上。金剛石切片將熱量從陣列中導出并送入散熱器。另一種方案是將氧化鎵疊層在碳化硅襯底上。但由于這兩種方案都會使生產成本更高，金剛石憑借其更優的性能可能勝出。
p型摻雜難題與雙超級結方案
氧化鎵還有另一個問題。n型摻雜很容易實現，但用于形成完整晶體管或二極管結構的互補p型摻雜已被證明很困難。這正是其他氧化物可能介入的地方。多個團隊已采用氧化鎳作為p型摻雜區的基礎。西安電子科技大學研究人員在今年VLSI研討會上描述的一種設計方案采用了雙超級結結構。該布局將擊穿電壓提升至2.4kV，研究團隊指出，這一設計有望實現高達8kV的阻斷電壓。雙超級結是橫向和垂直晶體管結構的混合體。電流從柵極下方的源極橫向流動。但當電流到達漏極時，其行為更接近垂直器件——電流向上移動通過p型摻雜的氧化鎳并穿過金屬接觸層。
圖2：西安電子科技大學雙超級結器件的橫截面示意圖。
和當年的氮化鎵、碳化硅一樣，氧化鎵制造商首先需要跨越的，是晶體質量這道坎。與碳化硅中形成微柱的方式類似，氧化鎵生長也可能出現空洞。氧化鎵作為一種脆性材料，存在開裂風險。但如果選擇異質襯底來調節熱導率，開裂可能不會成為主要瓶頸。
盡管氧化鎵在高壓器件方面具備優勢，但它面臨的產業驅動力與當年的氮化鎵不同——氮化鎵受益于通信和快充等消費市場的大批量需求，推動了規模效應和成本下降，而氧化鎵的專屬市場體量仍有待驗證。不過，它在更高壓電路中的應用潛力，仍有望在電網級固態模塊中占據一席之地。但如果要實現高性能必須與金剛石等特殊材料結合，氧化鎵可能最終只能被局限在擊穿電壓上無法妥協的場景中，難以實現大規模擴散。
在高壓端，氧化鎵的一個潛在賣點來自北京大學團隊近期發現的鐵電行為——這使其有望在不依賴硅集成的情況下，將少量非易失性存儲器嵌入更大器件中。而在低壓端，氧化鎵將面臨垂直氮化鎵器件的競爭。后者在提供與碳化硅相當的擊穿電壓的同時，導通電阻更低，目前多個團隊已通過制備更厚的氮化鎵層來支撐垂直晶體管結構。
與硅產業的發展規律一致，制造學習曲線的收益往往超過材料本身的固有優勢。隨著研究持續推進，氧化鎵仍有望在電網級電壓場景中提供更高效率的路徑。
信息來源： new electronics
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