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GaN已非小功率快充那么low

大功率路線開啟在即

如何落地 應(yīng)用方面

電動汽車功率轉(zhuǎn)換效率已成當(dāng)務(wù)之急

藍(lán)海暢游非GaN莫屬

近日，有權(quán)威人士透露，我國計(jì)劃把大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入正在制定中的“十四五”規(guī)劃，以期在2021-2025年期間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主。

重視之余，還要搞清楚在量大面廣的民用領(lǐng)域，不同材料技術(shù)究竟適合哪些應(yīng)用？哪些領(lǐng)域可以率先嘗試？

近年來，發(fā)展電動汽車已成為全球必然趨勢，2025年到2040年一些國家將全面禁售燃油車銷售。盡管借助了空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)，使用更輕的材料和更高效的電池，但對增加續(xù)航里程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

如何讓電動汽車達(dá)到最佳功率轉(zhuǎn)換效率，才是電動汽車贏得青睞的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，就必須借助于先進(jìn)功率器件，比如同為第三代寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

由于更高的性能和更高的可靠性，未來汽車應(yīng)用將是寬帶隙器件的最大市場，一些頭部車企已開始使用SiC，GaN也顯示出替代硅器件后來居上的優(yōu)勢。預(yù)測表明，GaN將在2020年之后迎來大規(guī)模采用。

GaN市場的演變

分析表明，早期采用GaN的都是需要高性能、高效率的應(yīng)用，市場較??；工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展緩慢，但生命周期長。2019年，GaN市場出現(xiàn)了增長拐點(diǎn)，2021年后的增長將由汽車應(yīng)用來推動。

從發(fā)明到商用

成為“頂流”要實(shí)力說話

歷史總是驚人的相似，故事經(jīng)常出奇的雷同。

1955年

美國無線電公司Rubin Braunstein發(fā)現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）與及其他半導(dǎo)體合金的紅外線放射作用；

1962年

美國通用電氣的Nick Holonyak Jr開發(fā)出可見光LED；全球第一款商用LED是1965年用鍺材料作成的，單價(jià)45美元；

1972年

有少量LED顯示屏用于鐘表和計(jì)算器；上世紀(jì)80年代出現(xiàn)了表面貼裝器件（SMT）LED；LED真正起飛是在上世紀(jì)90年代，日本日亞的Shuji Nakamura利用氮化鎵制成了藍(lán)光LED，之后白光LED啟動了廣泛的LED應(yīng)用時(shí)代。

2005年

一個(gè)LED燈泡要20多元，2012年10月，《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》發(fā)布，將從2016年10月1日起禁止進(jìn)口和銷售15瓦及以上的白熾燈，現(xiàn)在即使淘寶上還有賣，但是絕大多數(shù)人已不會選擇。

第三代半導(dǎo)體很像當(dāng)年的LED，電動汽車也差不多。GaN屬于寬帶隙材料家族，是一種二元化合物，所有也叫化合物半導(dǎo)體材料。其分子由具有纖鋅礦六角形結(jié)構(gòu)的一個(gè)鎵原子（III-基，Z = 31）和一個(gè)氮原子（V-基，Z = 7）組成。

GaN的原子結(jié)構(gòu)

在功率和效率方面，GaN比硅具有明顯的優(yōu)勢。以全部是電子部件的電動汽車為例，從電池到驅(qū)動車輪的電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換是一個(gè)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，電機(jī)自身的效率至關(guān)重要。拋開電池本身的因素，目前功率轉(zhuǎn)換的效率約為92%。

如果有一種技術(shù)可以將效率提高到98%又將如何呢？這時(shí)熱損耗將減少到2%，也就是2kW，這樣就可以用風(fēng)冷系統(tǒng)來冷卻。這種技術(shù)就是GaN。從硅轉(zhuǎn)向GaN不僅可以降低損耗，還能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量，進(jìn)而又延長了行駛里程。

這個(gè)時(shí)刻已經(jīng)到來，GaN已完成了從發(fā)明到商用的進(jìn)化，并開始了其作為主流功率晶體管技術(shù)的里程。

那么，為什么沒有更早采用GaN技術(shù)呢？Nexperia公司功率GaN技術(shù)戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Dilder Chowdhury說：“要讓一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走出來，應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)需要十年甚至更長的時(shí)間，GaN FET就是這種情況?！?

他回顧道，過去三四十年，GaN一直都在實(shí)驗(yàn)室中，1990年以來，雖然這種III-V直接帶隙半導(dǎo)體材料已廣泛用于發(fā)光二極管（LED），但要進(jìn)入主流功率晶體管應(yīng)用并不容易。后來它用到了射頻和無線電領(lǐng)域，如4G和5G基站。而在功率領(lǐng)域，由于成本原因，GaN技術(shù)的可行性不高。與其說增加成本，不如說人們愿意承擔(dān)一些可接受的功率損耗，直到GaN技術(shù)的成本達(dá)到合理價(jià)位。現(xiàn)在，硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術(shù)提供了更好的成本路線圖。

不同領(lǐng)域的收入增長階段

功率電子也看“摩爾定律”？

降低功率損耗是整個(gè)行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)，一些半導(dǎo)體廠商認(rèn)為，GaN是功率半導(dǎo)體的未來。在功率電子的“摩爾定律”面前，GaN為繼續(xù)提升功率密度提供了有效的途徑。

與硅和SiC相比，GaN的內(nèi)在性能優(yōu)勢在于，它在任何電壓范圍都具有更高的效率和最低的功率轉(zhuǎn)換損耗，且可在更高頻率下工作。相對成本優(yōu)勢也不在話下，硅基GaN比SiC更便宜，系統(tǒng)成本也低于硅。更小、更輕、更涼爽的電源系統(tǒng)推動了功能價(jià)值的提升，在器件級也接近硅的平價(jià)成本路線圖?？磥怼澳柖伞币苍谄鹱饔谩?

GaN與其他半導(dǎo)體的對比

市場趨勢顯示，除了行將爆發(fā)的5G手持設(shè)備和將于2022年大幅增長的RF市場對GaN的需求，2025年1200萬輛的電動汽車市場也將批量應(yīng)用GaN Power FET，主要用途是車載充電器、功率轉(zhuǎn)換器、電源逆變器。

推動GaN需求的市場趨勢

雖然，汽車市場商用GaN功率器件的份額仍落后于SiC，但其適用性正在得到證實(shí)，在某些方面甚至有后來居上之勢。

克服硅基GaN挑戰(zhàn)

在用GaN實(shí)現(xiàn)主流大功率FET之前，有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，從制造角度看，III-V族半導(dǎo)體的制造成本往往比較高。能夠在大型硅襯底上成功生長出具有適當(dāng)外延性能的厚GaN外延層，是使用標(biāo)準(zhǔn)150毫米（6英寸）晶圓進(jìn)行生產(chǎn)的關(guān)鍵。否則，具有可伸縮性和降低成本意義的真正批量生產(chǎn)就是紙上談兵。

圖源 | infineon.com

對于FET器件本身，解決動態(tài)RDSon等問題對于實(shí)現(xiàn)客戶所需的器件性能至關(guān)重要。只有開關(guān)品質(zhì)因數(shù)（RDSon x Qgd）和反向恢復(fù)電荷（Qrr）大大降低，才能實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更高效的功率轉(zhuǎn)換。

在批量生產(chǎn)方面，需要借鑒將汽車MOSFET測試推向關(guān)鍵可靠性測試的AEC-Q101認(rèn)證要求的經(jīng)驗(yàn)。這意味著要花大量時(shí)間對GaN器件進(jìn)行反復(fù)測試，以確保其在整個(gè)生命周期都能兌現(xiàn)高可靠性的承諾。

當(dāng)然，還要從應(yīng)用拓?fù)涞慕嵌攘私夤杌鵊aN FET的真正優(yōu)勢，因此需要表征功能器件并了解其在各種拓?fù)渲械男袨?，以此建立對GaN的理解和內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)來支持客戶，使其成為主流的功率半導(dǎo)體技術(shù)。

最后，除了效率和質(zhì)量之外，客戶也十分看重值得信賴的穩(wěn)定產(chǎn)品供應(yīng)。制造廠（包括前端、后端的各種封裝工藝）需要經(jīng)過全面垂直整合，才能完成最優(yōu)化的規(guī)?；a(chǎn)，并有可能通過投資不斷加大產(chǎn)能。做好了上述每個(gè)步驟，才能保證生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的長期穩(wěn)定，確?？蛻魧Ξa(chǎn)品供應(yīng)放心。

GaN之于汽車應(yīng)用

社會壓力和減少二氧化碳排放的趨勢正在推動汽車行業(yè)加大投資，提高功率轉(zhuǎn)換效率和電氣化水平。功率GaN技術(shù)不但表現(xiàn)出極大的性能優(yōu)勢，還能為電動汽車等功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用帶來一系列優(yōu)勢。

汽車行業(yè)的電氣化應(yīng)該是功率GaN技術(shù)的最大受益者。電動車/混合動力汽車（xEV）的功率損耗會影響續(xù)航里程，而這正是電動汽車普及的難點(diǎn)所在。因此，高效的功率轉(zhuǎn)換對于電動汽車的成功至關(guān)重要。此外，更加高效的功率轉(zhuǎn)換可減少使用昂貴冷卻系統(tǒng)的散熱需求，降低車輛重量和系統(tǒng)復(fù)雜性，從而潛在地增加續(xù)航里程。

圖源 | gan-vehicle.jp

受益于GaN技術(shù)的電動汽車系統(tǒng)包括：AC/DC車載充電器、DC-DC功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橐褂?2V/48V/400V電池，它們必須能夠相互兼容；還有為電池充電的插座，以及驅(qū)動牽引電動機(jī)的DC/AC逆變器。所有這些設(shè)備都需要高效的功率轉(zhuǎn)換，也是GaN技術(shù)的用武之地。

效率的根本問題在于開關(guān)損耗，每個(gè)開關(guān)周期中都會出現(xiàn)電流電壓交越，這就會產(chǎn)生交越損耗，在轉(zhuǎn)換過程中還會發(fā)生干擾及其損耗。

如果能夠使電壓降至零，同時(shí)電流升至最高，電壓電流交越就最小，那么開關(guān)損耗將會接近零。

這樣就可以最大程度地提高效率和延長電池使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大約10%的改進(jìn)。這就是GaN的作用。高功率GaN能夠顯著降低開關(guān)損耗，因此同樣的電池可以行駛更長時(shí)間。

舉個(gè)例子，如果將200kW逆變器效率從95%提高到99%，就可以將滿載功率損耗從10kW降低到2kW，僅為原來的五分之一。這樣，不但減少了8kW損耗（提高有用牽引功率），還不必使用昂貴冷卻系統(tǒng)，同時(shí)減少冷卻能量消耗及冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量。

目前，功率GaN FET已克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多限制，如基于硅的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和硅超結(jié)（SJ）解決方案。功率GaN沒有反向恢復(fù)損耗，可實(shí)現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗（高速開關(guān)特性），更高臨界電場和更高遷移率可以實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗。在高電壓下的低導(dǎo)通電阻可以提供出色的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)。

無論是AC/DC PFC級、DC-DC轉(zhuǎn)換器還是牽引逆變器，大多數(shù)拓?fù)涞幕緲?gòu)建模塊都是半橋。因此，在簡單升壓轉(zhuǎn)換器中比較GaN FET與Si FET時(shí)，GaN FET的表現(xiàn)更為出色。

在汽車中用功率GaN替代傳統(tǒng)方案，以更簡單的控制方案就能充分發(fā)揮器件數(shù)量少和高效率的優(yōu)勢。GaN功率晶體管更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率有助于改善信號控制，為無源濾波器設(shè)計(jì)提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而縮小電感、電容和變壓器的體積，進(jìn)而構(gòu)建體積更小的緊湊型系統(tǒng)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

半導(dǎo)體廠商競逐高功率GaN藍(lán)海市場

目前，有很多公司在推廣SiC技術(shù)，這種材料的生產(chǎn)較GaN更為成熟。但另一些廠商卻與GaN結(jié)下不解之緣，他們在努力加速超越SiC。他們從事新技術(shù)，探索全新領(lǐng)域，是藍(lán)海市場的先驅(qū)者，因?yàn)闆]有人來過這里。

功率GaN已在主流消費(fèi)市場應(yīng)用，其他應(yīng)用還是藍(lán)海

這里介紹幾家比較典型的GaN技術(shù)公司，他們是你中有我，我中有你，真的是剪不斷，理還亂！

Cree（科銳公司）

主打?qū)＠跈?quán)

第三代半導(dǎo)體的領(lǐng)軍企業(yè)，SiC和GaN都做。Cree認(rèn)為，GaN存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是難以生長GaN外延膜。這是由于在尺寸和純度方面，難以制造用于同質(zhì)外延的天然GaN襯底。因此，需要用異質(zhì)外延生長的另一種襯底。這種材料不僅必須具有高熱導(dǎo)率，還必須與GaN晶格低失配。

Transphorm

專利組合支持高壓GaN

公認(rèn)的GaN技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，從Cree獲得了GaN技術(shù)授權(quán)，其重點(diǎn)是為高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供最高效能、最高可靠性的GaN半導(dǎo)體，優(yōu)勢是擁有與汽車行業(yè)（尤其是日本）直接合作的成功經(jīng)驗(yàn)。

Nexperia（安世半導(dǎo)體）

專攻車規(guī)器件

全球汽車行業(yè)獨(dú)立供應(yīng)商，前身是恩智浦的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品事業(yè)部，2017年初獨(dú)立運(yùn)營，Transphorm是其唯一參股公司；2019年收入150億美元，同年被聞泰科技收購。Nexperia在大批量生產(chǎn)滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)（AEC-Q100/Q101）的可靠和必需的半導(dǎo)體元件方面處于領(lǐng)先地位。

ST（意法半導(dǎo)體）

打造量產(chǎn)能力

圖源 | nature.com

為增加GaN技術(shù)積累實(shí)力，將產(chǎn)品組合擴(kuò)展至GaN領(lǐng)域，2020年3月，收購了法國氮化鎵創(chuàng)新企業(yè)Exagan多數(shù)股權(quán)。此前ST已在建設(shè)一條新產(chǎn)線，將于2020年投產(chǎn)，用于生產(chǎn)包括硅基GaN異質(zhì)外延在內(nèi)的產(chǎn)品。

VisIC

不斷挑戰(zhàn)功率密度

VisIC Technologies是一家以色列公司，由氮化鎵技術(shù)專家創(chuàng)立，旨在開發(fā)和銷售基于GaN的先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。其開發(fā)并推向市場的基于GaN的晶體管和模塊專門針對混合動力和電動汽車、數(shù)據(jù)中心、可再生能源和工業(yè)電機(jī)的高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。VisIC已獲得GaN技術(shù)的主要專利，還有其他專利正在申請中。

英飛凌

GaN仍是中小功率

圖源 | Infineon

上面說過，如果英飛凌收購Cree旗下Wolfspeed的Power和RF業(yè)務(wù)獲得成功，那又當(dāng)別論。為了補(bǔ)齊產(chǎn)品線，2015年英飛凌收購國際整流器公司（IR），在硅基GaN領(lǐng)域邁了一大步，但仍需要松下的HD-GIT專利許可來鞏固收購獲得的成果，而且IR的技術(shù)只適合中、低功率應(yīng)用。

這恐怕也是到2018年底英飛凌量產(chǎn)的CoolGaNTM 400V和600V HEMT只適合低功率SMPS和電信整流器應(yīng)用的原因。當(dāng)然，英飛凌的大功率SiC還是風(fēng)生水起。

CoolGaNTM的主要應(yīng)用領(lǐng)域

寫在最后 未來規(guī)劃

最后，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷史表明，人們不會一下就放棄使用舊技術(shù)，GaN、SiC、Si三種技術(shù)將會共存。但在新的領(lǐng)域，舊技術(shù)無法做到的事情將成為可能。況且，從電池到車輪的直接功率轉(zhuǎn)換器可能需要幾年時(shí)間才能推出，時(shí)下最重要的是向世界展示GaN的優(yōu)勢。

從企業(yè)層面看，要啟動和保持獲利性的增長，就必須超越產(chǎn)業(yè)競爭，開創(chuàng)全新市場，包括突破性增長業(yè)務(wù)。GaN就是一個(gè)有待探索的新知市場空間，尚無惡性競爭，是充滿利潤和誘惑的新興市場，值得深挖！但是，我們也必須看到，國外一些領(lǐng)先企業(yè)對第三代半導(dǎo)體技術(shù)已耕耘了幾十年，形成了完整的專利鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)企業(yè)要想彎道超車需要做出更大的努力。