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半導體大佬撐腰之下 GaN功率半導體能取代MOSFET？

在更快、更省電系統(tǒng)的發(fā)展推動下，(GaN)基元器件市場正在走熱。

今天，GaN廣泛用于LED的生產(chǎn)，它在射頻(RF)市場也正在加速布局。GaN基功率半導體市場在經(jīng)過幾次失敗的預熱啟動和令人失望的結果之后，終于開始起飛。

2010年，供應商發(fā)布了第一波基于GaN技術的功率半導體。但直到最近，這種產(chǎn)品的可用性依然不高，價格也高昂不下，GaN技術一直在尋找理想的應用空間。

然而現(xiàn)在，GaN基功率半導體器件正在電源市場上攻城拔寨。隨著時間的推移，這些器件預計將逐步應用到電動汽車、移動設備的快速充電適配器、無線充電和其他系統(tǒng)中。

“對GaN的需求無處不在，”GaN功率半導體市場的先驅之一高效功率轉換(EPC)公司的首席執(zhí)行官Alex Lidow說?！白畲蟮膽檬荓iDAR(激光雷達)、4G/5G LTE基站的信號跟蹤、用于服務器和電信設備的DC-DC轉換器。無線充電市場現(xiàn)在仍然很小，但我預計，到2020年它將成為我們的三大應用之一。”

GaN功率器件和其他類型的功率半導體用于功率電子領域?；旧?，功率電子設備利用各種固態(tài)電子部件，在從智能手機充電器到大型發(fā)電廠的任何事物中，更有效地控制和轉換電能。在這些固態(tài)部件中，芯片處理開關和電源轉換功能。

對于這些應用而言，GaN是種理想的選擇。GaN基于鎵和III-V族氮化物，是一種寬帶隙工藝，意味著它比傳統(tǒng)的基于硅的器件更快，而且能夠提供更高的擊穿電壓。

問題是，一般來說，硅基功率半導體可以為許多應用提供足夠的性能，而且比GaN更便宜。 此外，GaN基功率半導體器件是采用相對更加昂貴且復雜的硅基氮化鎵工藝制造的。

市場研究公司IHS的分析師表示：“GaN半導體已經(jīng)開始在整個功率半導體市場中取得一些進展，但直到目前為止，它的市場規(guī)模依然很小?！白畲蟮奶魬?zhàn)來自于價格、技術的接受度和(需要更多的)教育/支持。

據(jù)報道，電源模塊和功率分立器件的市場總額預計將從2015年的119億美元增長到2016年的127億美元，在2016年的整個127億美金中，基于GaN的功率半導體業(yè)務預僅有1000萬美金，雖然起點很低，但Yole預計該業(yè)務從2016年到2021年將以每年86%的速度增長。

預計GaN基功率半導體市場將飛速增長，這種形勢已吸引許多公司進入這個市場。根據(jù)報道，EPC、GaN系統(tǒng)、英飛凌、松下和Transphorm已經(jīng)開始出貨這種器件。 此外，Dialog、恩智浦、安森美半導體、TI等公司正在開發(fā)GaN基功率半導體器件。

除了這些設計公司之外，還有兩家代工廠-臺積電和穩(wěn)懋半導體能夠提供GaN工藝。現(xiàn)在，臺灣聯(lián)華電子的一個業(yè)務部門Wavetek也計劃進軍GaN代工業(yè)務。

什么是功率半導體?

功率半導體被設計用來提升系統(tǒng)的效率以及減少能量損失?？墒菍嶋H上，出于兩個方面的原因-傳導和開關切換，設備可能會出現(xiàn)能量損失。根據(jù)松下的說法，傳導損耗是因為器件本身存在阻抗，而開關損耗則發(fā)生在on和off狀態(tài)間。

因此，業(yè)界的想法是尋找到一種阻抗更低、開關速度更快的晶體管技術。除了這兩個因素之外，原始設備制造商還會考慮電壓、電流、負載、溫度、芯片尺寸、成本等因素。

今天，有幾種可供選擇的功率半導體技術。入門級市場需求由傳統(tǒng)功率MOSFET滿足，它用于10V-500伏的應用。功率MOSFET基于垂直晶體管架構，在20世紀70年代開發(fā)問世。

功率半導體廠商之間的廝殺主要集中在兩個中檔電壓區(qū)段 - 600伏和1200伏。這種電壓區(qū)間的主要應用包括適配器、汽車、開關電源和太陽能逆變器。

針對這種電壓區(qū)間的應用，原始設備制造商有四種選擇，包括兩種硅基解決方案和兩種寬帶隙技術解決方案。其中，超級結功率MOSFET和IGBT是目前主導這種市場應用的兩種硅基技術。

超級結功率MOSFET和IGBT基于橫向器件結構，用于五百伏到九百伏的應用。同時，IGBT結合了MOSFET和雙極晶體管的特性，能夠用于400伏到1萬伏之間的應用。

超級結MOSFET和IGBT不需要使用先進的制造工藝，它們可以使用300mm晶圓生產(chǎn)，使得它們相對而言更加便宜。

問題在于，超級結技術在大約九百伏左右時就遭遇了天花板，而IGBT則困擾于開關速度慢的缺點。Wavetek銷售和市場部高級經(jīng)理Domingo Huang表示：“在過去三十年中，硅基MOSFET成為大多數(shù)功率電子設備應用中功率器件的首選。然而，下一代和新興的應用要求進一步大幅提高功率轉換性能，而硅基FET器件正在接近其物理特性的極限。”

這就是為什么業(yè)界對兩種寬帶隙解決方案-碳化硅和氮化鉀-感興趣的原因。寬帶隙指的是電子從其軌道脫離所需的能量大小，也是決定能夠自由移動的電子的質量的一個參數(shù)。

GaN的帶隙為3.4電子伏特(eV)，SiC的帶隙為3.3eV，相比之下，硅的帶隙只有1.1eV。

通常，在功率領域中，GaN基功率半導體用于30伏至650伏的應用，而SiC FET用于600伏到10千伏的系統(tǒng)。

那么600伏和1200伏電壓區(qū)段的最佳技術是什么?這取決于具體要求和成本。全球最大的功率半導體供應商英飛凌的GaN應用經(jīng)理Eric Persson說：“我們并不真正覺得GaN和超級結功率MOSFET是互相競爭的。”英飛凌銷售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技術的功率器件。

“如果你需要使用超級結來滿足你的要求，那么就使用它。你轉向GaN的唯一原因是GaN更便宜或者應用需要更高的密度或效率，即在不犧牲效率的情況下實現(xiàn)更高的頻率，”Persson說?！拔覀冋J為，GaN將主要在600伏應用中占主導，而到了1200伏區(qū)間，我們相信碳化硅MOSFET代表了它的未來。”

隨著時間的推移，這些技術將開始互相重疊。“在重疊區(qū)間，由成本等特定的標準決定使用哪種技術。這也歸結于這個應用是一個成本驅動的設計，還是一個性能和密度驅動的設計。這個灰色重疊地帶將隨著時間的推移和生產(chǎn)的成熟度而變化?！彼f。

什么是GaN?

可以肯定的是，GaN基功率半導體不會在一些制造和生產(chǎn)存在挑戰(zhàn)的領域占據(jù)主導地位。在整個工藝流程中，GaN器件是從硅襯底開始制造的，先在硅襯底上生長氮化鋁(AlN)層，然后使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在AlN層上生長GaN。AlN層用作襯底和GaN之間的緩沖層。

應用材料公司技術營銷和產(chǎn)品戰(zhàn)略總監(jiān)Ben Lee在一篇博客中提道：“這些(寬帶隙)襯底的挑戰(zhàn)在于它極其昂貴，而且難以制造。與硅襯底相比，GaN襯底通常為6英寸或更小。有些是8英寸，但供應相當有限。SiC襯底現(xiàn)在正在采用的是六英寸?！?

還有其它一些問題。“對于GaN而言，由于GaN和硅之間存在晶格失配，所以必須要用AlN緩沖層，”Lee說?！斑@些緩沖層非常重要，需要進行調諧以幫助最小化電荷陷阱。”

因此，業(yè)界必須繼續(xù)解決這些問題。“(目標是)解決這些固有的挑戰(zhàn)，如晶格失配、熱膨脹系數(shù)不同，以及能夠適應垂直電壓跌落的較厚的緩沖層?！盬avetek的Huang說。

在元器件方面，EPC表示，傳統(tǒng)的耗盡型GaN芯片在操作中為“常開”狀態(tài)，因此必須先施加負偏壓。如果沒有這么設計，系統(tǒng)將發(fā)生短路，這使得它們不適合許多應用。

因此，供應商已經(jīng)從耗盡型器件轉移到增強型器件。這些器件對于OEM更為理想，通常是關斷狀態(tài)，直到電壓施加到柵極后才會打開。

不過，問題依然很清楚-客戶會購買這些元件嗎?GaN確實很有前途，但行業(yè)傾向于固守如功率MOSFET這種更熟悉的技術。IHS的分析師稱：“供應商們需要進行廣泛且有效的教育活動，以向客戶解釋為什么使用以及如何充分利用GaN技術?！?

最近，GaN器件供應商正在解決一些其他問題。“業(yè)界仍然存在誤解，認為GaN器件比MOSFET貴，”EPC的Lidow說?！耙肱まD人們的這種誤解需要一定的時間，但人們確實正在更正這種印象。EPC于2015年5月開始以相當于或者低于MOSFET的價格向大批量應用供應GaN器件?！?

應用

價格降下來之后，反過來使得GaN對于數(shù)據(jù)中心和電信設備的供電電源這些應用更加具備吸引力，事實上，數(shù)據(jù)中心運營商面臨大量挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)便是降低這些巨型設施的功耗。

有若干種方法可以解決這個問題。Google采用的方法是，在其數(shù)據(jù)中心中采用48V供電的機架架構，要比目前的12V技術節(jié)能30%。

通常情況下，機架由服務器和電源組成?！斑@些機架的功率大概在50千瓦或60千瓦左右，他們希望把它進一步推高到80或者90千瓦。這個功率數(shù)字很大，可是他們還希望在同樣的空間體積下實現(xiàn)這么高的功率，”英飛凌的Persson說?！八麄兿Ｍ麑崿F(xiàn)最高的效率，端到端的效率大約到98%這個級別。”

這么大的功率，這么高的效率，電源就變得至關重要了。電源可能包括轉換器、功率因數(shù)校正單元(PFC)。PFC能夠保證系統(tǒng)以最大效率運行。

一種常見類型的電源雙拓撲使用雙升壓連續(xù)導通模式(CCM)PFC電路。在某些情況下，這種電路由超級結功率MOSFET供電?！俺壗Y可以完成這項工作，”Persson提到?！澳憧梢缘玫?9%的效率，但它的代價是操作頻率不高。”

一種替代方案是使用基于600伏GaN器件的圖騰柱CCM-PFC器件。 這個解決方案更貴，但有一些好處。 “圖騰柱是一個更簡單的拓撲，”他說?！拔铱梢栽贕aN上應用相同的拓撲結構，同時實現(xiàn)更高的操作頻率。您可以在廣泛的功率范圍內(nèi)在PFC上獲得高于99%的效率。這種方案可以節(jié)約資金和運營成本?！?

GaN同時還有一些其他的新興應用。比如，Diag半導體公司最近也殺入GaN市場，計劃在快速充電應用中實施這項技術。

當智能手機或者其它移動設備電池電量較低或者不足時，必須使用墻上適配器或者充電器重新充電。在美國，電網(wǎng)的標準電壓為120V。

“當您將USB適配器插入您的手機時，通常會得到5V左右的充電電壓，”Diag的業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Tomas Moreno說?！斑@時會發(fā)生的一件事情是，手機從適配器得到的功率是受限的。想想吧，功率等于電壓乘以電流，USB充電線纜能夠通過的電流只有1.25安培，這是由線纜決定的，所以您無論從任何地方取電，手機上能夠得到的充電功率始終只有7瓦到8瓦?！?

總之，使用傳統(tǒng)的墻上適配器對手機充電需要花費太多的時間。為此，業(yè)界開發(fā)了快速充電技術，它可以提高充電電壓。“用于手機充電的功率變得更高了，從而充電速度更快了，”Moreno說?！澳悻F(xiàn)在可以在30分鐘之內(nèi)將手機電量充至滿電的80%?！?

對于這種快速充電應用，Diag提供用在充電器內(nèi)的三種芯片-調節(jié)控制器、同步整流控制器和通信IC。

很快，Diag將會添加第四個芯片解決方案 - 一個GaN功率半導體器件。該器件為半橋式，內(nèi)部集成了650伏GaN功率開關和其他電路，可將功率損耗降低高達50%，將效率提高到94%?！澳憧梢詫⒐β拭芏仍黾咏?0%，”他說?！澳憧梢猿槌龈嗟碾娏?，從而更快地給電池充電。”

針對智能手機和平板電腦應用，Dialog將于2017年開始對其GaN基快速充電解決方案進行試樣。隨著時間的推移，GaN將用于汽車、衛(wèi)星、醫(yī)療設備和其他系統(tǒng)中。

可以肯定的是，GaN正在大踏步前進。但是硅基MOSFET仍會繼續(xù)存在，并不會很快消失。