GaN基础知识
PowerAmerica制造美国研究所的执行董事兼CTO Victor Veliadis指出（由美国能源部成立，旨在加速SiC和GaN功率电子的采用），GaN功率器件在100V、200V和650V的工作电压范围内有几家供应商，还有一个900V的产品。Veliadis说：“它们具有横向配置，与SiC功率器件不同，后者具有垂直配置。”GaN器件原生是耗尽模式（常开），而级联配置和几种'成熟’技术正被用于设计GaN功率器件的增强模式（常关），这正是功率电子应用工程师所喜欢的。GaN功率器件的制造与RF GaN HEMT的制造类似，后者作为产品已量产好多年。因此，GaN功率器件的一大优势是它们与CMOS完全兼容，因此可以利用硅制造的规模经济，在硅晶圆厂大量制造。”管理PowerAmerica的北卡州立大学电气工程系教授Veliadis指出，这种兼容性也允许制造GaN集成电路，而且横向配置可以简化封装。“在大型CMOS工厂制造的器件中，GaN器件具有重量轻、体积小、效率高和尺寸小的优势。GaN能够有效地在远高于硅的频率下工作，并超过SiC的频率，这就减少了系统无源元件的尺寸，提供了非常小尺寸的系统。”这种小尺寸的优势也使GaN功率器件成为消费电子、电机驱动、数据中心不间断电源和5G企业设备等大规模应用的优秀候选器件。Veliadis说：“关于电动车，目前大多数都采用400V总线架构，因此650V的GaN器件在利润丰厚的逆变器、DC-DC和OBC方面与成熟的Si IGBT和SiC竞争。这的确是一个大众市场，这三种材料技术都具有很强的竞争力。”为了获得更高的效率（同样的电量更长的续航能力，或者更小的电量同样的续航能力）以及快充，电动车正在迅速转向800V总线架构。他指出：“在这个电压下，1,200V MOSFET具有优势，因为它们在2011年就已经商业化，并经过了几代的优化。使用1,200V MOSFET，需要2级拓扑架构，而650V GaN则需要3级。这意味着在SiC中可以用更少的器件来实现该电路。当然，在为某一应用选择合适的器件时，会有许多权衡因素，但2级系统的简化是一个重要的考虑因素。”Onto Innovation光学产品营销总监Paul Knutrud说，GaN也正在取代GaAs和硅，用于军事、手机信号塔、医疗保健和消费电子等一些与电力相关的应用。他把高功率和高开关速度列为GaN的主要优势。其他人也指出了类似的优势。Navitas半导体公司负责营销和投资者关系的副总裁Stephen Oliver说，速度是该技术的主要关键优势，而且GaN的材料丰富且成本低。Oliver说：“原材料的成本真的很低，当你把它放在一起时，晶体会形成一种新型的半导体，显然一半时间导电，另一半时间则不导电或不隔离。如果你有一根由GaN制成的电线和一根由硅制成的电线，并通过相同数量的电流，GaN会保持低温。它的单位面积电阻比硅低，所以它运行起来更冷。”他说：“不过，更重要的是开关速度。GaN的真正关键是它是一匹真正喜欢高速奔跑的赛马。当我们谈论功率转换时，高速意味着我们开关设备的速度。在功率转换中，如果你想象一个变压器，你有一根电线在线圈旁边，然后有一圈铁氧体材料，在后端有第二个线圈来取走它。如果你把能量放到那个变压器里，它绕着环又出来了，如果你慢慢地做，你需要很多能量。所以变压器在物理上是很大的。但是如果你做得越来越快，每桶能量就会越来越小。所以变压器不需要存储那么多能量。你可以把它变小，当它变小时就会更便宜、更轻。而且我们还可以使用开关方法，将电路组织成拓扑结构的不同方式，这意味着它们不再是学术上的好奇。我们现在可以使用GaN在高速下进行工业验证的功率转换。你跑得快，缩得也快，你可以使手机充电器比硅基的小三倍。所以速度把东西缩小了。”GaN的首次商业应用是在LED和蓝光DVD中。后来，高频能力使它在5G手机发射器芯片的RF GaN中具有吸引力，现在它正越来越多地进入电源转换领域，特别是在基于GaN的快速充电器中。EPC的eGaN FET和IC已经有了100多个新兴应用。该公司CEO Alex Lidow说，增长最快的五个应用是用于机器人、无人机、消费类产品、驾驶员警觉系统和自动驾驶汽车（AV）的激光雷达系统；用于AI系统、服务器和电信功率系统的DC-DC；用于电动车和机器人的电机驱动器；卫星系统，包括需要辐射硬度的电机驱动器和DC-DC电源；以及太阳能发电点跟踪器。Lidow说：“这些应用中每一项的采用率都已经过了临界点。早期采用者都已经加入，实用主义者正在努力追赶。每个新用户仍有一个学习曲线，但有许多资源可以让首批用户进入成功的设计。剩下的障碍主要是人们所坚持的误区。例如，GaN并不比硅更昂贵。五年前就已经越过这个门槛了，但我们还是从客户那里听到了这个说法，直到他们真正看到报价。另一个误区是，GaN不如硅可靠。同样，这个误区已经通过大量的可靠性报告和在苛刻的应用中成功使用了数千亿小时而被打破。Infineon的开关电源和电池供电应用产品和系统工程总监George Liang指出，与其他晶体管技术相比，GaN的另一个关键优势是其开关损耗非常低。“任何重视最低功耗（高效率）的功率电子应用都天然适合使用GaN。对于小尺寸的应用，GaN可以在不增加功耗的情况下实现更高的工作频率，从而带来更高密度的解决方案。对于电动车市场，GaN是针对非常紧凑的OBC的宽带隙技术之一。另一个大市场是用于从手机到电视等大型消费电子产品的紧凑型充电器/适配器。然而，另一个应用空间是用于电信和数据中心的服务器电源，其效率的提高降低了运营成本。”Transphorm目前正在生产各种功率的GaN器件，从30-10kW。Transphorm的CEO Primit Parikh说：“我们的FET被用于跨行业应用，如电源适配器、加密货币开采PSU、数据服务器PSU、太阳能逆变器、电动车充电器等。”在高达10kW的范围，他指出了电动车、智能手机、笔记本电脑和物联网设备充电器的机会。“GaN器件在电动车市场有很大的影响，预计到2030年，电动车市场将以21%的年复合增长率增长。这些器件提高了效率（因此减少了电损耗和浪费的热量），实现了新的设计可能性，可带来更小的冷却器系统和更符合空气动力学、更轻便的汽车，更快的充电速度和更长的续航里程。”Parikh指出，in-box和售后充电设备是大批量产品，而5G设备是耗电大户，需要65W的快充。相比之下，数据中心和加密货币挖矿是关键任务应用，都需要大量的电力。他说：“用于解决复杂方程和存储流媒体数据的计算机也产生大量的热量。这两个因素造成了总运营成本的40%。”他说，GaN技术使这些计算机能够以同样的能力运行，同时减少能耗和发热。“最终，这降低了数据中心和加密货币挖矿的运营成本。预计到2024年，仅加密货币挖矿就将增长20多亿美元，任何能够帮助降低成本和提高效率的产品都将成为热门商品。”其他人也认同类似的增长趋势。Liang说，GaN已经是Infineon全面生产的主流技术。他说：“与任何功率晶体管技术一样，有一个不断改进的过程，力求质量、可靠性和成本越来越好。例如，我们预计在不久的将来，随着我们实现150-200㎜晶圆的过度，我们将提高生产能力，改善成本结构。”适用范围领域
今年4月，Imec和沉积设备供应商AIXTRON的研究人员宣布，在200㎜ QST基板上成功演示了符合1200V应用要求的GaN缓冲层的外延生长，其硬击穿电压超过1800V。符合1200V标准缓冲层的可制造性为基于GaN的最高电压电源应用打开了大门，例如电动车，以前只有基于SiC的技术才可行。现在的问题是它们何时能在价格上有竞争力。
Liang说，目前所有的GaN功率晶体管都是横向晶体管。”提高击穿电压需要按比例增大裸片面积，加上更厚的外延层。对于一个给定的导通电阻，不仅芯片尺寸增加，而且单位面积的成本也增加。由于这个原因，Infineon认为，与SiC相比，1200V或更高的GaN晶体管将不具有价格竞争力。请注意，Imec发布的消息只是说这些电压水平已经在GaN上得到了证明。这离它是合格的、可用于生产或具有任何经济意义还有很大的距离。”
Yole的技术和市场分析师Taha Ayari表示，GaN在不同市场的渗透率将根据每个应用的要求而有所不同。“总的来说，GaN器件剩下的挑战是可靠性和性能的接受度、价格竞争力，以及用于高功率应用的高电压器件的开发。主要障碍之一仍然是在硅衬底上进行GaN层的外延，晶格不匹配，以及两种材料之间的热膨胀系数不匹配，这在GaN层中产生了致命的缺陷。所以它需要一个复杂的缓冲层和外延层。外延一般与制造商开发的内部工艺有关，使外延标准化变得相当棘手。另外，价格压力和更高的产量需求正在推动行业从传统的6英寸平台过渡到8英寸，这将需要更多的外延开发，以达到统一和更高产量的目的。
更大的晶圆仍然是一个挑战。Lam Research客户支持业务部战略营销总经理David Haynes说：“的确，GaN和硅基器件在功率和射频应用中已经很成熟了，但这主要是在6英寸或更小的晶圆上，而且就许多基于GaN的器件而言，是在蓝宝石和SiC等基材上。”
Haynes说：“目前，为了提高这些技术与主流半导体加工的兼容性，并为更先进或更大批量的应用提高技术的经济性，正在向200㎜晶圆加工剧烈地转变。SiC正在向200㎜迁移，随着200㎜晶圆成本和可用性的提高，生产将在未来2-3年内得到提升。”
Haynes指出，Lam公司特别关注200㎜ SiC沟槽MOSFET应用。“对于GaN来说，正是200㎜硅基GaN技术性能的提高，以及未来甚至是300㎜ 硅基GaN技术的提高，支撑着该技术的发展。200㎜硅基GaN功率和射频器件的加工，真正为CMOS集成和与CMOS生产加工兼容提供了可能性。在Lam，我们已经开发了一系列与200㎜和300㎜硅基GaN生产兼容的超低损伤蚀刻和沉积工艺，以及先进的单晶硅清洁工艺，以支持CMOS生产的兼容性。”
Navitas的Oliver指出，在电动车领域，SiC解决方案最近取得了比GaN更多的关键优势，因为它比GaN成熟10年左右，并可提供更好的热性能。
Oliver说：“SiC适用于高功率、高电压。SiC的问题是，它实际上是一种相当缓慢的半导体。它的传导性很好，但当涉及到开关、转换功率时，它的损耗要比GaN大得多。一些公司，如生产太阳能微型逆变器的Enphase Energy和瑞士汽车供应商Brusa Electronik，已经开始评估和设计Navitas的GaN电源系统。GaN正在变得成熟，现在我们已经有3400万台的产量，生产时间1200亿小时，而且现场故障报告为零。”
PowerAmerica的Veliadis说，GaN的定位很好，其高频工作为100V、200V和650V工作电压范围的应用带来了强大的优势。“关于电压范围，商用GaN器件是横向的，因此不能超过650V（尽管Transphorm确实提供900V的解决方案）。因此，与1200V的商用SiC器件相比，在1200V及以上的范围内竞争需要更高的拓扑架构水平。”
EPC的Lidow指出，GaN没有物理上的电压击穿限制，但它确实有实际限制。“GaN和SiC具有类似的能力，可以阻挡高电场而不被击穿。然而，与硅或SiC相比，GaN具有2DEG（two-dimensional electron gas）的独特特征，使电子在表面移动得非常快。”
因此，当有源器件为横向时，GaN比这两种半导体材料中的任何一种都具有明显的优势。Lidow说：“这意味着接触端子都在一个表面上。在SiC或Si MOSFET中，器件的源极和漏极在器件的一侧，漏极在另一个表面。当电压接近1,000V时，几乎需要垂直的器件，因为如果你做一个横向的器件，端子之间的要求距离会变得比有源器件大。许多人就会问，为什么不是垂直GaN？答案是，与垂直SiC相比，垂直GaN没有优势。由于与SiC相比，GaN的热阻更高。此外，也没有成本优势。考虑到这一切，我预测GaN将是650V以下的主导电源技术，而SiC将是900V以上的主导技术。在650-900V之间，硅基GaN和SiC将有适合的应用。”
尽管如此，GaN在其有意义的地方正在稳固地扎根。GaN技术已经在现场进行了设计和测试。虽然在制造障碍和更高电压GaN器件的可扩展性方面还存在一些问题，但这些问题应该在相对短期内得到解决。
Lidow补充说：“我确实认为我们在最大的应用中已经过了临界点。这意味着最大的障碍是各种应用的设计周期。教育和集成都能缩短学习周期。”
[参考文章]
GaN Application Base Widens, Adoption Grows — Patrick Waurzyniak
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