效率是所有工業(yè)部門的驅(qū)動力，包括消費(fèi)部門。在電子系統(tǒng)中，效率會導(dǎo)致性能限制以及使用壽命縮短。然而，更高的效率推動行業(yè)朝著更高的功率密度發(fā)展，并有可能擁有更小、更輕、更可靠的產(chǎn)品，同時消除性能限制并在數(shù)據(jù)中心和汽車系統(tǒng)中提供更高的功率水平。

隨著連接設(shè)備的數(shù)量每天都在增加，更高效的電源轉(zhuǎn)換可以在一定程度上降低為這些數(shù)十億設(shè)備供電的總體財務(wù)成本。由于涉及的數(shù)量龐大，最近提高整體效率以降低環(huán)境成本變得同樣重要。

必須限制損耗，這反過來又會限制系統(tǒng)的效率，通常會導(dǎo)致強(qiáng)烈的散熱。這種損耗在功率轉(zhuǎn)換中很普遍，而熱量是半導(dǎo)體器件的一個特殊敵人。從電子設(shè)備中去除不需要的熱量的成本是不受歡迎的，而且對環(huán)境有害。這推動了更高效半導(dǎo)體器件的研發(fā)，以提高功率轉(zhuǎn)換效率、提高功率密度并減少能源管理對整體財務(wù)和環(huán)境的影響。

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體

功率半導(dǎo)體歷來基于硅襯底，而硅是一種出色的通用半導(dǎo)體，在處理高電壓時具有充分證明的局限性。市場正在繼續(xù)尋求更多功率的競賽，并且該行業(yè)總體上正在遠(yuǎn)離硅，轉(zhuǎn)而支持更適合功率的半導(dǎo)體材料。這些材料被歸類為寬帶隙材料，指的是它們在物理上與晶體材料（如硅）不同。這些差異代表了幾個基本特征，其中之一是它們能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，同時將損耗保持在淺且可管理的水平。

晶體管是微電子行業(yè)的基石。底物決定了它們的行為，因此定義了特性和功能。三極管本質(zhì)上是一個壓控開關(guān)，需要的功率越大，尺寸越大。這可以通過使用 WBG 材料來補(bǔ)償。WBG 晶圓的供應(yīng)鏈仍在優(yōu)化中，并不像已經(jīng)存在的硅晶圓龐大的基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈那樣成熟。為了克服提高效率的障礙/障礙，該行業(yè)正在大力開發(fā)新基板，同時繼續(xù)利用硅帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

由碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等創(chuàng)新半導(dǎo)體制成的新型晶體管目前非常需要用于為汽車行業(yè)和替代能源構(gòu)建電力系統(tǒng)。

GaN 技術(shù)的兩種變體是硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 和碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC)。GaN-on-SiC 為太空和軍事雷達(dá)應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)。今天，RF 工程師正在尋找新的應(yīng)用和解決方案來利用 GaN-on-SiC。?

GaN-on-silicon 支持低成本、大直徑襯底的生長，并且更容易使用大批量 Si 晶圓廠進(jìn)行器件生產(chǎn)。

氮化鎵以 HEMT（高電子遷移率晶體管）外延晶體管的形式存在于各種襯底材料上，是用于射頻、微波和毫米波領(lǐng)域高性能器件的最新和最有前途的半導(dǎo)體技術(shù)。這對于基于 GaN-on-Silicon 和基于 GaN-on-SiC 的器件尤其如此，它們既具有尖端的高頻功能，又能夠在大晶圓直徑 CMOS 代工廠中進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

GaN-on-Si 功率晶體管比傳統(tǒng)的硅功率晶體管更能提供高效率，部分原因是轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜图夹g(shù)需求。具有零反向恢復(fù)電荷的 GaN 使其可用于以前未考慮用于電源的拓?fù)洹Ｕ沁@種最近啟用的拓?fù)渑c新的 GaN 技術(shù)相結(jié)合，有助于實現(xiàn)新的功率性能水平。峰值電流與反向恢復(fù)電荷有關(guān)，它在硅功率晶體管中可能非常大，以至于它不能用于具有重復(fù)反向恢復(fù)的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，包括半橋拓?fù)洹?/p>

基板的優(yōu)勢允許通過提供良好的集成來降低成本?？梢栽趩蝹€基板上集成 LNA（低噪聲放大器）、開關(guān)、PA（功率放大器）；GaN-on-Si 確實引起了很大的興趣。集成固然有其優(yōu)勢，但首先需要的是需要應(yīng)用的大功率、高連接性的終端連接。在這些情況下，GaN-on-SiC 證明了其有效性（圖 1）。

圖 1：GaN 市場演變 [來源：Yolè Developpment]

參數(shù)

雖然硅半導(dǎo)體多年來仍將是主流解決方案，但在某些應(yīng)用中客戶可以利用 WBG 半導(dǎo)體的特性，包括改進(jìn)的帶隙 (eV)、擊穿場 (MV/cm)、熱導(dǎo)率 (W / cm-K)、電子遷移率 (cm2 / Vs) 和電子漂移速度。在不涉及半導(dǎo)體物理細(xì)節(jié)的情況下，可以說這些改進(jìn)的參數(shù)使 WBG 半導(dǎo)體適用于高電壓、高開關(guān)頻率應(yīng)用，同時提高了功率密度和散熱。

WBG 半導(dǎo)體功率開關(guān)的主要優(yōu)點包括高電流密度、更快的開關(guān)和更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS (on))。從最終客戶的角度來看，這些設(shè)備性能改進(jìn)帶來了顯著的系統(tǒng)級優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，客戶可以實現(xiàn)高溫運(yùn)行，同時降低整體系統(tǒng)尺寸和重量。

消費(fèi)市場趨勢

至于GaN在現(xiàn)實應(yīng)用中的擴(kuò)展，無線充電是最熱門的領(lǐng)域之一。隨著無線充電成為手機(jī)越來越普遍的趨勢，GaN 也使工業(yè)客戶能夠利用該技術(shù)的優(yōu)勢。在高頻下，GaN 比硅表現(xiàn)出最明顯的優(yōu)勢。硅用于低功率應(yīng)用，但隨著應(yīng)用要求擴(kuò)展到幾十瓦甚至千瓦，效率變得更加重要。更高的開關(guān)頻率不僅可以提高效率，還可以為客戶提供更多優(yōu)勢。

我們目前在消費(fèi)市場看到的一個趨勢是對移動電話的新功能和性能的強(qiáng)烈需求。高速數(shù)據(jù)傳輸、更大質(zhì)量的屏幕、人臉感應(yīng)功能以及下一個 5G 將很快需要新的電源管理解決方案。所有這些功能都需要更高性能或更大的電池。更大的電池意味著更長的充電時間。除了確定便攜式設(shè)備的正確尺寸外，市場上還出現(xiàn)了新的充電解決方案，以便它們可以快速為手機(jī)充電。

當(dāng)前的電池單元至少需要兩個小時才能充滿電。降低這個時間的需求導(dǎo)致了新的電源解決方案進(jìn)入市場，從最初的 15 瓦到那些功率更大達(dá)到 100 瓦的解決方案。

與其他硅解決方案相比，氮化鎵是一種通過提供更小尺寸的器件來提供更高效率的材料。與其他解決方案相比，它使我們能夠獲得更高的功率，因此可以在更短的時間內(nèi)為設(shè)備充電。

“去年在 2019 年，”Yole Développement (Yole) 技術(shù)與市場分析師 Ezgi Dogmus 說，“OPPO 是中國 OEM 在其快速充電器中使用氮化鎵器件的第一個例子。從那一刻起，我們在這個市場上看到了越來越多的吸引力?！?/p>

” 小米是中國有影響力的OEM，最近推出了基于GaN的快速充電器。對于主要的原始設(shè)備制造商，三星已經(jīng)在其附件快速充電器中加入了 GaN 設(shè)備，據(jù)我們所知，它很快就會集成到其內(nèi)置充電器中。也有一些關(guān)于在蘋果和華為的下一代快速充電器中采用 GaN 的傳言，但我們認(rèn)為我們將能夠在接下來的幾個季度隨著官方公告有更清晰的想法，但我們可以說鎵的吸引力非常大氮化物，”Ezgi Dogmus 說。

硅仍然非?；钴S，尤其是在 30 W 以下。技術(shù)正朝著氮化鎵發(fā)展。在 30 到 100 W 之間的領(lǐng)域，我們?nèi)匀挥泄杞鉀Q方案，但氮化鎵非常有競爭力，提供高效率和快速充電時間。它能夠支持良好的熱管理和良好的設(shè)計?！霸荚O(shè)備制造商還想要一個小巧、快速的充電器。他們不希望手機(jī)帶有大充電器，因為這不利于設(shè)備的美觀。使用氮化鎵，他們可以做到這一點，但使用硅，問題在于它可能非常大，”Ezgi Dogmus 說。

許多中國公司也在充電器中使用氮化鎵?？焖俪潆娛且粋€真正的趨勢，大型 OEM 將采用它，而 GaN 成本將繼續(xù)下降。Yole 估計三星和蘋果的采用率也很高。三星已經(jīng)通過電源集成擁有其 45 W 氮化鎵充電器。GAN 肯定會進(jìn)入智能手機(jī)市場，該市場比任何其他消費(fèi)市場都大得多，因此，當(dāng)價格下降時，它將對其采用有很大幫助。

“據(jù)我們所知，Power Integrations 是 GAN 制造商之一。Power Integrations 已公開宣布他們將為三星即將推出的充電器提供 IC 解決方案”，Ezgi Dogmus 說。

圖 2：GaN 快速充電趨勢 [來源：Yolè Developpment]

“所有原始設(shè)備制造商都在尋求這些 GaN 產(chǎn)品的市場接受度和進(jìn)一步降低成本。在此背景下，2020 年和 2021 年將是 GaN 基功率器件的關(guān)鍵年份?！卑Ｆ澕ざ喔衲匪拐f。

圖 3：2018-2024 年由大功率快速充電應(yīng)用驅(qū)動的功率 GaN 器件市場 [來源：Yolè Developpment]

集成是最小化延遲和消除寄生電感的關(guān)鍵，這些寄生電感限制了 Si 和早期分立 GaN 電路的開關(guān)速度。憑借低至 5 ns 的傳播延遲和高達(dá) 200 V / ns 的穩(wěn)健 dV / dt，傳統(tǒng)的 65-100 kHz 轉(zhuǎn)換器設(shè)計可以加速至 MHz 甚至更高。這些集成電路在 MHz 量級的頻率上擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な?、半橋式、諧振式等）的功能，從而允許革命性項目的商業(yè)引入（圖 2-5）。

圖 4：功率與頻率 [來源：Yolè Developpment]

汽車

最有趣和增長最快的應(yīng)用之一是電動汽車 (EV) 車外充電，其中包括快速充電器和充電站市場。碳化硅確實可以為該應(yīng)用增加價值。

圖 5：功率 GaN 市場 [來源：Yolè Developpment]

碳化硅和氮化鎵最賺錢的兩個應(yīng)用是電動汽車和混合動力汽車（EV 和 HEV）。它們在更高的電壓和溫度下運(yùn)行，更堅固耐用，使用壽命更長，并且比傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度快得多。碳化硅正被用于多種應(yīng)用，尤其是電動汽車，以應(yīng)對開發(fā)高效和大功率設(shè)備時面臨的能源和成本挑戰(zhàn)。

碳化硅在特斯拉逆變器中具有強(qiáng)大的吸引力，因此也適用于電動汽車中的所有高壓解決方案。在這個市場上，我們可以看到碳化硅和氮化鎵在車載充電器應(yīng)用中的競爭，說哪個最好是不公平的，因為選擇取決于 OEM 在成本和性能方面采用的策略。

“幾乎所有原始設(shè)備制造商都在關(guān)注碳化硅和氮化鎵；沒有人真正排除任何一種。這是一個成本問題，也是一個資格問題，所以也許可以說碳化硅更先進(jìn)一些，因為它已經(jīng)獲得了汽車行業(yè)的資格，并且已經(jīng)開始用于汽車領(lǐng)域的主逆變器和車載充電器應(yīng)用。特斯拉和比亞迪等原始設(shè)備制造商的幾種車型?！盓zgi Dogmus 說。

GaN 也符合汽車行業(yè)的要求，EPC 或 Transform 等公司已經(jīng)擁有適用于汽車行業(yè)、低壓和高壓 EV-HEV 應(yīng)用的合格產(chǎn)品。Nexperia 等其他公司正在通過新的解決方案投資市場。?

“我認(rèn)為在未來一年我們會看到越來越多的氮化鎵合格，它可以在成本和性能方面與碳化硅競爭，”Ezgi Dogmus 說。

最大的挑戰(zhàn)是由于較高的制造工藝成本和缺乏批量生產(chǎn)而廣泛采用 SiC/GaN 器件。大規(guī)模生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，需要穩(wěn)健且深思熟慮的制造工藝。這包括晶圓測試，這需要測試在更高電流和電壓范圍內(nèi)工作的較小設(shè)備。+

審核編輯 黃昊宇