「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)公司的執行長Alex Lidow說。

「最大的應用是LiDAR(雷射雷達)、4G/5G LTE基站的信號跟蹤、用於伺服器和電信設備的DC-DC轉換器。

無線充電市場現在仍然很小，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於功率電子領域。

基本上，功率電子設備利用各種固態電子部件，在從智慧型手機充電器到大型發電廠的任何事物中，更有效地控制和轉換電能。

在這些固態部件中，晶片處理開關和電源轉換功能。

對於這些應用而言，GaN是種理想的選擇。

GaN基於鎵和III-V族氮化物，是一種寬頻隙工藝，意味著它比傳統的基於矽的器件更快，而且能夠提供更高的擊穿電壓。

問題是，一般來說，矽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採用相對更加昂貴且複雜的矽基氮化鎵工藝製造的。

市場研究公司IHS的分析師表示：「GaN半導體已經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，它的市場規模依然很小。

「最大的挑戰來自於價格、技術的接受度和(需要更多的)教育/支持。

據報導，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，基於GaN的功率半導體業務預僅有1000萬美金，雖然起點很低，但Yole預計該業務從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。

根據報導，EPC、GaN系統、英飛凌、松下和Transphorm已經開始出貨這種器件。

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-台積電和穩懋半導體能夠提供GaN工藝。

現在，台灣聯華電子的一個業務部門Wavetek也計劃進軍GaN代工業務。

什麼是功率半導體?

功率半導體被設計用來提升系統的效率以及減少能量損失。

可是實際上，出於兩個方面的原因-傳導和開關切換，設備可能會出現能量損失。

根據松下的說法，傳導損耗是因為器件本身存在阻抗，而開關損耗則發生在on和off狀態間。

因此，業界的想法是尋找到一種阻抗更低、開關速度更快的電晶體技術。

除了這兩個因素之外，原始設備製造商還會考慮電壓、電流、負載、溫度、晶片尺寸、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功率MOSFET滿足，它用於10V-500伏的應用。

功率MOSFET基於垂直電晶體架構，在20世紀70年代開發問世。

功率半導體廠商之間的廝殺主要集中在兩個中檔電壓區段 - 600伏和1200伏。

這種電壓區間的主要應用包括適配器、汽車、開關電源和太陽能逆變器。

針對這種電壓區間的應用，原始設備製造商有四種選擇，包括兩種矽基解決方案和兩種寬頻隙技術解決方案。

其中，超級結功率MOSFET和IGBT是目前主導這種市場應用的兩種矽基技術。

超級結功率MOSFET和IGBT基於橫向器件結構，用於五百伏到九百伏的應用。

同時，IGBT結合了MOSFET和雙極電晶體的特性，能夠用於400伏到1萬伏之間的應用。

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

問題在於，超級結技術在大約九百伏左右時就遭遇了天花板，而IGBT則困擾於開關速度慢的缺點。

Wavetek銷售和市場部高級經理Domingo Huang表示：「在過去三十年中，矽基MOSFET成為大多數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，而矽基FET器件正在接近其物理特性的極限。

」

這就是為什麼業界對兩種寬頻隙解決方案-碳化矽和氮化鉀-感興趣的原因。

寬頻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。

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

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

那麼600伏和1200伏電壓區段的最佳技術是什麼?這取決於具體要求和成本。

全球最大的功率半導體供應商英飛凌的GaN應用經理Eric Persson說：「我們並不真正覺得GaN和超級結功率MOSFET是互相競爭的。

」英飛凌銷售基於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，那麼就使用它。

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更高的頻率，」Persson說。

「我們認為，GaN將主要在600伏應用中占主導，而到了1200伏區間，我們相信碳化矽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。

「在重疊區間，由成本等特定的標準決定使用哪種技術。

這也歸結於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的成熟度而變化。

」他說。

什麼是GaN?

可以肯定的是，GaN基功率半導體不會在一些製造和生產存在挑戰的領域占據主導地位。

在整個工藝流程中，GaN器件是從矽襯底開始製造的，先在矽襯底上生長氮化鋁(AlN)層，然後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之間的緩衝層。

應用材料公司技術營銷和產品戰略總監Ben Lee在一篇博客中提道：「這些(寬頻隙)襯底的挑戰在於它極其昂貴，而且難以製造。

與矽襯底相比，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襯底現在正在採用的是六英寸。

」

還有其它一些問題。

「對於GaN而言，由於GaN和矽之間存在晶格失配，所以必須要用AlN緩衝層，」Lee說。

「這些緩衝層非常重要，需要進行調諧以幫助最小化電荷陷阱。

」

因此，業界必須繼續解決這些問題。

「(目標是)解決這些固有的挑戰，如晶格失配、熱膨脹係數不同，以及能夠適應垂直電壓跌落的較厚的緩衝層。

」Wavetek的Huang說。

在元器件方面，EPC表示，傳統的耗盡型GaN晶片在操作中為「常開」狀態，因此必須先施加負偏壓。

如果沒有這麼設計，系統將發生短路，這使得它們不適合許多應用。

因此，供應商已經從耗盡型器件轉移到增強型器件。

這些器件對於OEM更為理想，通常是關斷狀態，直到電壓施加到柵極後才會打開。

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，但行業傾向於固守如功率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，以向客戶解釋為什麼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。

「業界仍然存在誤解，認為GaN器件比MOSFET貴，」EPC的Lidow說。

「要想扭轉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於2015年5月開始以相當於或者低於MOSFET的價格向大批量應用供應GaN器件。

」

應用

價格降下來之後，反過來使得GaN對於數據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，數據中心運營商面臨大量挑戰，最大的挑戰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採用的方法是，在其數據中心中採用48V供電的機架架構，要比目前的12V技術節能30%。

通常情況下，機架由伺服器和電源組成。

「這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。

這個功率數字很大，可是他們還希望在同樣的空間體積下實現這麼高的功率，」英飛凌的Persson說。

「他們希望實現最高的效率，端到端的效率大約到98%這個級別。

」

這麼大的功率，這麼高的效率，電源就變得至關重要了。

電源可能包括轉換器、功率因數校正單元(PFC)。

PFC能夠保證系統以最大效率運行。

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。

「超級結可以完成這項工作，」Persson提到。

「你可以得到99%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於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。

「我可以在GaN上應用相同的拓撲結構，同時實現更高的操作頻率。

您可以在廣泛的功率範圍內在PFC上獲得高於99%的效率。

這種方案可以節約資金和運營成本。

」

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。

當智慧型手機或者其它移動設備電池電量較低或者不足時，必須使用牆上適配器或者充電器重新充電。

在美國，電網的標準電壓為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的業務發展總監Tomas Moreno說。

「這時會發生的一件事情是，手機從適配器得到的功率是受限的。

想想吧，功率等於電壓乘以電流，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，使用傳統的牆上適配器對手機充電需要花費太多的時間。

為此，業界開發了快速充電技術，它可以提高充電電壓。

「用於手機充電的功率變得更高了，從而充電速度更快了，」Moreno說。

「你現在可以在30分鐘之內將手機電量充至滿電的80%。

」

對於這種快速充電應用，Diag提供用在充電器內的三種晶片-調節控制器、同步整流控制器和通信IC。

很快，Diag將會添加第四個晶片解決方案 - 一個GaN功率半導體器件。

該器件為半橋式，內部集成了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%。

「你可以將功率密度增加近40%，」他說。

「你可以抽出更多的電量，從而更快地給電池充電。

」

針對智慧型手機和平板電腦應用，Dialog將於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將用於汽車、衛星、醫療設備和其他系統中。

可以肯定的是，GaN正在大踏步前進。

但是矽基MOSFET仍會繼續存在，並不會很快消失。