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半導(dǎo)體大佬撐腰之下 GaN功率半導(dǎo)體能取代MOSFET？

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

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

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

然而現(xiàn)在，GaN基功率半導(dǎo)體器件正在電源市場(chǎng)上攻城拔寨。隨著時(shí)間的推移，這些器件預(yù)計(jì)將逐步應(yīng)用到電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備的快速充電適配器、無線充電和其他系統(tǒng)中。

“對(duì)GaN的需求無處不在，”GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的先驅(qū)之一高效功率轉(zhuǎn)換(EPC)公司的首席執(zhí)行官Alex Lidow說?！白畲蟮膽?yīng)用是LiDAR(激光雷達(dá))、4G/5G LTE基站的信號(hào)跟蹤、用于服務(wù)器和電信設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器。無線充電市場(chǎng)現(xiàn)在仍然很小，但我預(yù)計(jì)，到2020年它將成為我們的三大應(yīng)用之一。”

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

對(duì)于這些應(yīng)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(dǎo)體可以為許多應(yīng)用提供足夠的性能，而且比GaN更便宜。 此外，GaN基功率半導(dǎo)體器件是采用相對(duì)更加昂貴且復(fù)雜的硅基氮化鎵工藝制造的。

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

據(jù)報(bào)道，電源模塊和功率分立器件的市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)將從2015年的119億美元增長(zhǎng)到2016年的127億美元，在2016年的整個(gè)127億美金中，基于GaN的功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)預(yù)僅有1000萬美金，雖然起點(diǎn)很低，但Yole預(yù)計(jì)該業(yè)務(wù)從2016年到2021年將以每年86%的速度增長(zhǎng)。

預(yù)計(jì)GaN基功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將飛速增長(zhǎng)，這種形勢(shì)已吸引許多公司進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。根據(jù)報(bào)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(dǎo)體、TI等公司正在開發(fā)GaN基功率半導(dǎo)體器件。

除了這些設(shè)計(jì)公司之外，還有兩家代工廠-臺(tái)積電和穩(wěn)懋半導(dǎo)體能夠提供GaN工藝?，F(xiàn)在，臺(tái)灣聯(lián)華電子的一個(gè)業(yè)務(wù)部門Wavetek也計(jì)劃進(jìn)軍GaN代工業(yè)務(wù)。

什么是功率半導(dǎo)體?

功率半導(dǎo)體被設(shè)計(jì)用來提升系統(tǒng)的效率以及減少能量損失?？墒菍?shí)際上，出于兩個(gè)方面的原因-傳導(dǎo)和開關(guān)切換，設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)能量損失。根據(jù)松下的說法，傳導(dǎo)損耗是因?yàn)槠骷旧泶嬖谧杩?，而開關(guān)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(guān)速度更快的晶體管技術(shù)。除了這兩個(gè)因素之外，原始設(shè)備制造商還會(huì)考慮電壓、電流、負(fù)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(dǎo)體技術(shù)。入門級(jí)市場(chǎng)需求由傳統(tǒng)功率MOSFET滿足，它用于10V-500伏的應(yīng)用。功率MOSFET基于垂直晶體管架構(gòu)，在20世紀(jì)70年代開發(fā)問世。

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

針對(duì)這種電壓區(qū)間的應(yīng)用，原始設(shè)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(shù)解決方案。其中，超級(jí)結(jié)功率MOSFET和IGBT是目前主導(dǎo)這種市場(chǎng)應(yīng)用的兩種硅基技術(shù)。

超級(jí)結(jié)功率MOSFET和IGBT基于橫向器件結(jié)構(gòu)，用于五百伏到九百伏的應(yīng)用。同時(shí)，IGBT結(jié)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(yīng)用。

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

問題在于，超級(jí)結(jié)技術(shù)在大約九百伏左右時(shí)就遭遇了天花板，而IGBT則困擾于開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)。Wavetek銷售和市場(chǎng)部高級(jí)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(shè)備應(yīng)用中功率器件的首選。然而，下一代和新興的應(yīng)用要求進(jìn)一步大幅提高功率轉(zhuǎn)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(duì)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(dòng)的電子的質(zhì)量的一個(gè)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(lǐng)域中，GaN基功率半導(dǎo)體用于30伏至650伏的應(yīng)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(shù)是什么?這取決于具體要求和成本。全球最大的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商英飛凌的GaN應(yīng)用經(jīng)理Eric Persson說：“我們并不真正覺得GaN和超級(jí)結(jié)功率MOSFET是互相競(jìng)爭(zhēng)的?！庇w凌銷售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技術(shù)的功率器件。

“如果你需要使用超級(jí)結(jié)來滿足你的要求，那么就使用它。你轉(zhuǎn)向GaN的唯一原因是GaN更便宜或者應(yīng)用需要更高的密度或效率，即在不犧牲效率的情況下實(shí)現(xiàn)更高的頻率，”Persson說?！拔覀冋J(rèn)為，GaN將主要在600伏應(yīng)用中占主導(dǎo)，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(shí)間的推移，這些技術(shù)將開始互相重疊。“在重疊區(qū)間，由成本等特定的標(biāo)準(zhǔn)決定使用哪種技術(shù)。這也歸結(jié)于這個(gè)應(yīng)用是一個(gè)成本驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，還是一個(gè)性能和密度驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)灰色重疊地帶將隨著時(shí)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(dǎo)體不會(huì)在一些制造和生產(chǎn)存在挑戰(zhàn)的領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。在整個(gè)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(zhǎng)氮化鋁(AlN)層，然后使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在AlN層上生長(zhǎng)GaN。AlN層用作襯底和GaN之間的緩沖層。

應(yīng)用材料公司技術(shù)營(yíng)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(yīng)相當(dāng)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?！皩?duì)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(jìn)行調(diào)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(biāo)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(yīng)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(fù)偏壓。如果沒有這么設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將發(fā)生短路，這使得它們不適合許多應(yīng)用。

因此，供應(yīng)商已經(jīng)從耗盡型器件轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)型器件。這些器件對(duì)于OEM更為理想，通常是關(guān)斷狀態(tài)，直到電壓施加到柵極后才會(huì)打開。

不過，問題依然很清楚-客戶會(huì)購(gòu)買這些元件嗎?GaN確實(shí)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(shù)。IHS的分析師稱：“供應(yīng)商們需要進(jìn)行廣泛且有效的教育活動(dòng)，以向客戶解釋為什么使用以及如何充分利用GaN技術(shù)?！?

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

應(yīng)用

價(jià)格降下來之后，反過來使得GaN對(duì)于數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的供電電源這些應(yīng)用更加具備吸引力，事實(shí)上，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商面臨大量挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)便是降低這些巨型設(shè)施的功耗。

有若干種方法可以解決這個(gè)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(jī)架架構(gòu)，要比目前的12V技術(shù)節(jié)能30%。

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

這么大的功率，這么高的效率，電源就變得至關(guān)重要了。電源可能包括轉(zhuǎn)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(yùn)行。

一種常見類型的電源雙拓?fù)涫褂秒p升壓連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)PFC電路。在某些情況下，這種電路由超級(jí)結(jié)功率MOSFET供電?！俺?jí)結(jié)可以完成這項(xiàng)工作，”Persson提到。“你可以得到99%的效率，但它的代價(jià)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(gè)解決方案更貴，但有一些好處。 “圖騰柱是一個(gè)更簡(jiǎn)單的拓?fù)洌彼f。“我可以在GaN上應(yīng)用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)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(yùn)營(yíng)成本?！?

GaN同時(shí)還有一些其他的新興應(yīng)用。比如，Diag半導(dǎo)體公司最近也殺入GaN市場(chǎng)，計(jì)劃在快速充電應(yīng)用中實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)。

當(dāng)智能手機(jī)或者其它移動(dòng)設(shè)備電池電量較低或者不足時(shí)，必須使用墻上適配器或者充電器重新充電。在美國(guó)，電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓為120V。

“當(dāng)您將USB適配器插入您的手機(jī)時(shí)，通常會(huì)得到5V左右的充電電壓，”Diag的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Tomas Moreno說?！斑@時(shí)會(huì)發(fā)生的一件事情是，手機(jī)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(jī)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(duì)手機(jī)充電需要花費(fèi)太多的時(shí)間。為此，業(yè)界開發(fā)了快速充電技術(shù)，它可以提高充電電壓?！坝糜谑謾C(jī)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(jī)電量充至滿電的80%?！?

對(duì)于這種快速充電應(yīng)用，Diag提供用在充電器內(nèi)的三種芯片-調(diào)節(jié)控制器、同步整流控制器和通信IC。

很快，Diag將會(huì)添加第四個(gè)芯片解決方案 - 一個(gè)GaN功率半導(dǎo)體器件。該器件為半橋式，內(nèi)部集成了650伏GaN功率開關(guān)和其他電路，可將功率損耗降低高達(dá)50%，將效率提高到94%。“你可以將功率密度增加近40%，”他說?！澳憧梢猿槌龈嗟碾娏?，從而更快地給電池充電?！?

針對(duì)智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)用，Dialog將于2017年開始對(duì)其GaN基快速充電解決方案進(jìn)行試樣。隨著時(shí)間的推移，GaN將用于汽車、衛(wèi)星、醫(yī)療設(shè)備和其他系統(tǒng)中。

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