GaN功率器件的兩種技術路線對比

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2022-06-01 17:31:01 83

這幾年第三代半導體異常火熱，國內外很多半導體企業都涌入其中。根據Yole的數據，2020年，GaN功率器件市場規模為4600萬美元，相比2019年增長了2倍，并有望在2026年突破10億美元大關，達到11億美元，年復合增長率將接近70%。主要的應用市場包括電信和數據通信、汽車，以及便攜設備市場等。

兩大主要市場推動GaN功率器件大發展

2020年的GaN功率器件市場突飛猛進的原因之一是快充的廣泛應用，到目前為止，至少有10個智能手機OEM廠商推出了18款以上的內置GaN的充電器手機。未來隨著智能手機等設備的電池容量越來越大，用戶對快充的需求將會更加明顯。

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新能源汽車的興起也為GaN找到了一個新的應用場景，預計今年會有更多的汽車開始在OBC、DCDC轉換器等應用中采用GaN，這方面不少廠商已經做好了準備，比如EPC、Transphorm、GaN Systems、TI，以及Nexperia等玩家的產品都已經過了AEC認證。ST則通過與TSMC合作，以及收購Exagan的多數股權擴大了GaN市場的份額，并進軍電動汽車領域。

在新機遇下，GaN的全球產業化競爭也正愈演愈烈。從2009年開始，首顆EPC 100V功率GaN FET面市至今，高低壓GaN功率芯片出貨量均達到千萬級，產業化技術成熟，市場開始爆發，全球GaN主流企業隨之崛起。

兩大技術路線對比

由于GaN場效應晶體管（FET）支持更快的開關速度和更高的工作頻率，有助于改善信號控制，為無源濾波器設計提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而幫助縮小電感、電容和變壓器的體積。從而構建體積更小的緊湊型系統解決方案，最終實現成本的節約。

下圖是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結構剖面圖，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層的界面處存在自發極化和壓電極化，形成二維電子氣(2DEG)。Epi通過種晶層在硅襯底上形成。先生長GaN和AlGaN的漸變層，然后生長純GaN層。最后一層很薄的AlGaN形成2DEG。2DEG的電子遷移率非常高，因此得名。

圖：GaN HEMT結構剖面圖

當前的功率GaN FET有兩個主流方向：增強型（E-Mode，單芯片常關器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關器件）。目前E-Mode柵極有穩定性和漏電流的問題，而驅動雙芯片常關（或者說共源共柵配置）的D-Mode器件則更簡單并穩健。所以，對于可高達1 MHz開關頻率的操作，共源共柵GaN FET最為適合。

氮化鎵功率器件分為增強型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種，增強型是常關的器件，耗盡型是常開的器件。

目前，就主要玩家而言，松下、英飛凌、GaN Systems、EPC、GaN Power、英諾賽科、Navitas，以及成都氮矽等采用的是E-Mode設計；Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來、以及大連芯冠等采用的是D-Mode設計。

珠海鯨芯創業投資管理有限公司投資總監熊清子女士曾在一次分享中指出，Navitas、英諾賽科、英飛凌雖然都采用了E-Mode的設計，但也有所不同，比如它們的氮化鎵管跟驅動匹配的方式就不太一樣，Navitas采用的是單片集成HEMT和驅動。驅動單片集成的優勢在于開關速度高，使器件的高頻性能得到充分發揮，但由于在氮化鎵上制作驅動，無法兼顧復雜的方案，缺少測電流、測溫等功能，同時可靠性相比于硅基驅動也會降低許多。

而英飛凌合封HEMT和驅動、分立外掛驅動兩種方案都有。其GaN開關管采用專用驅動IC------GaN EiceDRIVE。單片集成方案，英飛凌內如也有研發，但并未面世。

英諾賽科大部分的出貨產品并沒有搭配專門的驅動IC保證開通與關斷（既無外掛專門的驅動，也沒有將驅動與功率管進行合封），而是通過控制器直接進行驅動，或者在氮化鎵功率管外直接搭建簡單的電路進行驅動，這使得其產品的功率密度相比于PI、Navitas差了2倍以上，犧牲了可靠性和效率。

PI采用的是D-Mode內的級聯設計，并使用了藍寶石基襯底，成本較高。另外，因為級聯設計是在硅管和氮化鎵開關管之間做級聯，可靠性和匹配上存在挑戰，需要器件在性能上做一定的妥協，因此在消費電子領域，級聯設計不具有成本和性能的比較優勢，但是在柵極的可靠性上，D-Mode級聯設計要由于E-Mode設計。PI采取的是功率管和驅動合封的方式，搭配PI研發生產的專用驅動IC。好處是，其驅動跟現有的硅基驅動是一樣的，產業鏈非常的成熟，整體設計也更簡單一些。

Transphorm也采用了D-Mode級聯設計，它可以搭配英飛凌或者TI的驅動IC使用。

結語

自從功率GaN晶體管，特別是硅基氮化鎵器件上市之后，產品的性能、可靠性、成本和實用性都得到了顯著改善。性能更好的GaN功率晶體管可適用于更高的功率。它們不但符合電動汽車(EV)的車規要求，也非常適合數據中心、電信基礎設施等工業應用。加上這幾年它們在快充市場的攻城掠地，發展速度非常快。

對于未來發展模式，就目前來看，硅基氮化鎵的成本更低，技術成熟度也高，未來幾年擴產的產能平臺應該會以硅基氮化鎵平臺為主。另外，很多氮化鎵的新玩家主要針對的市場是快充市場，他們主要采用E-Mode設計的硅基氮化鎵為主。當然，這兩種技術路線并沒有誰最好之說，有的只是性能、成本，以及應用領域等多方面綜合考量后，做出權衡取舍后的結果。

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