GaN功率器件的兩種技術(shù)路線(xiàn)對比

來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng)

作者：程文智

這幾年第三代半導體異?；馃?，國內外很多半導體企業(yè)都涌入其中。根據Yole的數據，2020年，GaN功率器件市場(chǎng)規模為4600萬(wàn)美元，相比2019年增長(cháng)了2倍，并有望在2026年突破10億美元大關(guān)，達到11億美元，年復合增長(cháng)率將接近70%。主要的應用市場(chǎng)包括電信和數據通信、汽車(chē)，以及便攜設備市場(chǎng)等。


01兩大主要市場(chǎng)推動(dòng)GaN功率器件****展
2020年的GaN功率器件市場(chǎng)突飛猛進(jìn)的原因之一是快充的廣泛應用，到目前為止，至少有10個(gè)智能手機OEM廠(chǎng)商推出了18款以上的內置GaN的充電器手機。未來(lái)隨著(zhù)智能手機等設備的電池容量越來(lái)越大，用戶(hù)對快充的需求將會(huì )更加明顯。

新能源汽車(chē)的興起也為GaN找到了一個(gè)新的應用場(chǎng)景，預計今年會(huì )有更多的汽車(chē)開(kāi)始在OBC、DCDC轉換器等應用中采用GaN，這方面不少廠(chǎng)商已經(jīng)做好了準備，比如EPC、Transphorm、GaN Systems、TI，以及Nexperia等玩家的產(chǎn)品都已經(jīng)過(guò)了AEC認證。ST則通過(guò)與TSMC合作，以及收購Exagan的多數股權擴大了GaN市場(chǎng)的份額，并進(jìn)軍電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。
在新機遇下，GaN的全球產(chǎn)業(yè)化競爭也正愈演愈烈。從2009年開(kāi)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到千萬(wàn)級，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，市場(chǎng)開(kāi)始爆發(fā)，全球GaN主流企業(yè)隨之崛起。
02兩大技術(shù)路線(xiàn)對比
由于GaN場(chǎng)效應晶體管（FET）支持更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作頻率，有助于改善信號控制，為無(wú)源濾波器設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。從而構建體積更小的緊湊型系統解決方案，最終實(shí)現成本的節約。
下圖是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結構剖面圖，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(guò)種晶層在硅襯底上形成。先生長(cháng)GaN和AlGaN的漸變層，然后生長(cháng)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。
當前的功率GaN FET有兩個(gè)主流方向：增強型（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柵極有穩定性和漏電流的問(wèn)題，而驅動(dòng)雙芯片常關(guān)（或者說(shuō)共源共柵配置）的D-Mode器件則更簡(jiǎn)單并穩健。所以，對于可高達1 MHz開(kāi)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型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種，增強型是常關(guān)的器件，耗盡型是常開(kāi)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設計；Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來(lái)、以及大連芯冠等采用的是D-Mode設計。
珠海鯨芯創(chuàng )業(yè)投資管理有限公司投資總監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的設計，但也有所不同，比如它們的氮化鎵管跟驅動(dòng)匹配的方式就不太一樣，Navitas采用的是單片集成HEMT和驅動(dòng)。驅動(dòng)單片集成的優(yōu)勢在于開(kāi)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動(dòng)，無(wú)法兼顧復雜的方案，缺少測電流、測溫等功能，同時(shí)可靠性相比于硅基驅動(dòng)也會(huì )降低許多。
而英飛凌合封HEMT和驅動(dòng)、分立外掛驅動(dòng)兩種方案都有。其GaN開(kāi)關(guān)管采用專(zhuān)用驅動(dòng)IC------GaN EiceDRIVE。單片集成方案，英飛凌內如也有研發(fā)，但并未面世。
英諾賽科大部分的出貨產(chǎn)品并沒(méi)有搭配專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)IC保證開(kāi)通與關(guān)斷（既無(wú)外掛專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)，也沒(méi)有將驅動(dòng)與功率管進(jìn)行合封），而是通過(guò)控制器直接進(jìn)行驅動(dòng)，或者在氮化鎵功率管外直接搭建簡(jiǎn)單的電路進(jìn)行驅動(dòng)，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內的級聯(lián)設計，并使用了藍寶石基襯底，成本較高。另外，因為級聯(lián)設計是在硅管和氮化鎵開(kāi)關(guān)管之間做級聯(lián)，可靠性和匹配上存在挑戰，需要器件在性能上做一定的妥協(xié)，因此在消費電子領(lǐng)域，級聯(lián)設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)設計要由于E-Mode設計。PI采取的是功率管和驅動(dòng)合封的方式，搭配PI研發(fā)生產(chǎn)的專(zhuān)用驅動(dòng)IC。好處是，其驅動(dòng)跟現有的硅基驅動(dòng)是一樣的，產(chǎn)業(yè)鏈非常的成熟，整體設計也更簡(jiǎn)單一些。
Transphorm也采用了D-Mode級聯(lián)設計，它可以搭配英飛凌或者TI的驅動(dòng)IC使用。
03結語(yǔ)
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(zhù)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(dòng)汽車(chē)(EV)的車(chē)規要求，也非常適合數據中心、電信基礎設施等工業(yè)應用。加上這幾年它們在快充市場(chǎng)的攻城掠地，發(fā)展速度非?？?。
對于未來(lái)發(fā)展模式，就目前來(lái)看，硅基氮化鎵的成本更低，技術(shù)成熟度也高，未來(lái)幾年擴產(chǎn)的產(chǎn)能平臺應該會(huì )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(chǎng)是快充市場(chǎng)，他們主要采用E-Mode設計的硅基氮化鎵為主。當然，這兩種技術(shù)路線(xiàn)并沒(méi)有誰(shuí)最好之說(shuō)，有的只是性能、成本，以及應用領(lǐng)域等多方面綜合考量后，做出權衡取舍后的結果。