GaN功率器件的兩種技術(shù)路線對比

來源：電子發(fā)燒友網(wǎng)

作者：程文智

這幾年第三代半導(dǎo)體異常火熱，國內(nèi)外很多半導(dǎo)體企業(yè)都涌入其中。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2020年，GaN功率器件市場規(guī)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(guān)，達(dá)到11億美元，年復(fù)合增長率將接近70%。主要的應(yīng)用市場包括電信和數(shù)據(jù)通信、汽車，以及便攜設(shè)備市場等。


01兩大主要市場推動GaN功率器件****展
2020年的GaN功率器件市場突飛猛進(jìn)的原因之一是快充的廣泛應(yīng)用，到目前為止，至少有10個智能手機(jī)OEM廠商推出了18款以上的內(nèi)置GaN的充電器手機(jī)。未來隨著智能手機(jī)等設(shè)備的電池容量越來越大，用戶對快充的需求將會更加明顯。

新能源汽車的興起也為GaN找到了一個新的應(yīng)用場景，預(yù)計今年會有更多的汽車開始在OBC、DCDC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中采用GaN，這方面不少廠商已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，比如EPC、Transphorm、GaN Systems、TI，以及Nexperia等玩家的產(chǎn)品都已經(jīng)過了AEC認(rèn)證。ST則通過與TSMC合作，以及收購Exagan的多數(shù)股權(quán)擴(kuò)大了GaN市場的份額，并進(jìn)軍電動汽車領(lǐng)域。
在新機(jī)遇下，GaN的全球產(chǎn)業(yè)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(dá)到千萬級，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，市場開始爆發(fā)，全球GaN主流企業(yè)隨之崛起。
02兩大技術(shù)路線對比
由于GaN場效應(yīng)晶體管（FET）支持更快的開關(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(gòu)建體積更小的緊湊型系統(tǒng)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約。
下圖是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結(jié)構(gòu)剖面圖，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層的界面處存在自發(fā)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。
當(dāng)前的功率GaN FET有兩個主流方向：增強(qiáng)型（E-Mode，單芯片常關(guān)器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關(guān)器件）。目前E-Mode柵極有穩(wěn)定性和漏電流的問題，而驅(qū)動雙芯片常關(guān)（或者說共源共柵配置）的D-Mode器件則更簡單并穩(wěn)健。所以，對于可高達(dá)1 MHz開關(guān)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(qiáng)型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種，增強(qiáng)型是常關(guān)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(shè)計；Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來、以及大連芯冠等采用的是D-Mode設(shè)計。
珠海鯨芯創(chuàng)業(yè)投資管理有限公司投資總監(jiān)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(shè)計，但也有所不同，比如它們的氮化鎵管跟驅(qū)動匹配的方式就不太一樣，Navitas采用的是單片集成HEMT和驅(qū)動。驅(qū)動單片集成的優(yōu)勢在于開關(guān)速度高，使器件的高頻性能得到充分發(fā)揮，但由于在氮化鎵上制作驅(qū)動，無法兼顧復(fù)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(qū)動也會降低許多。
而英飛凌合封HEMT和驅(qū)動、分立外掛驅(qū)動兩種方案都有。其GaN開關(guān)管采用專用驅(qū)動IC------GaN EiceDRIVE。單片集成方案，英飛凌內(nèi)如也有研發(fā)，但并未面世。
英諾賽科大部分的出貨產(chǎn)品并沒有搭配專門的驅(qū)動IC保證開通與關(guān)斷（既無外掛專門的驅(qū)動，也沒有將驅(qū)動與功率管進(jìn)行合封），而是通過控制器直接進(jìn)行驅(qū)動，或者在氮化鎵功率管外直接搭建簡單的電路進(jìn)行驅(qū)動，這使得其產(chǎn)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(nèi)的級聯(lián)設(shè)計，并使用了藍(lán)寶石基襯底，成本較高。另外，因?yàn)榧壜?lián)設(shè)計是在硅管和氮化鎵開關(guān)管之間做級聯(lián)，可靠性和匹配上存在挑戰(zhàn)，需要器件在性能上做一定的妥協(xié)，因此在消費(fèi)電子領(lǐng)域，級聯(lián)設(shè)計不具有成本和性能的比較優(yōu)勢，但是在柵極的可靠性上，D-Mode級聯(lián)設(shè)計要由于E-Mode設(shè)計。PI采取的是功率管和驅(qū)動合封的方式，搭配PI研發(fā)生產(chǎn)的專用驅(qū)動IC。好處是，其驅(qū)動跟現(xiàn)有的硅基驅(qū)動是一樣的，產(chǎn)業(yè)鏈非常的成熟，整體設(shè)計也更簡單一些。
Transphorm也采用了D-Mode級聯(lián)設(shè)計，它可以搭配英飛凌或者TI的驅(qū)動IC使用。
03結(jié)語
自從功率GaN晶體管，特別是硅基氮化鎵器件上市之后，產(chǎn)品的性能、可靠性、成本和實(shí)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(guī)要求，也非常適合數(shù)據(jù)中心、電信基礎(chǔ)設(shè)施等工業(yè)應(yīng)用。加上這幾年它們在快充市場的攻城掠地，發(fā)展速度非常快。
對于未來發(fā)展模式，就目前來看，硅基氮化鎵的成本更低，技術(shù)成熟度也高，未來幾年擴(kuò)產(chǎn)的產(chǎn)能平臺應(yīng)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(shè)計的硅基氮化鎵為主。當(dāng)然，這兩種技術(shù)路線并沒有誰最好之說，有的只是性能、成本，以及應(yīng)用領(lǐng)域等多方面綜合考量后，做出權(quán)衡取舍后的結(jié)果。