GaN应用基础扩大，采用增长

氮化镓(GaN)由于其宽带隙，能够实现快速充电，非常高的速度，并且比硅基芯片小得多，开始在广泛的功率半导体应用中出现。

不像碳化硅(SiC),另一个宽禁带技术,氮化镓是一个横向的而不是垂直的装置。GaN的最高电压约为900伏，这限制了其在许多纯电动汽车(BEV)应用中的使用。虽然仍有一些重叠，但至少目前来看，这些技术的最佳应用领域的分界线是相对清晰的。

在未来五年内，GaN的主要应用可能包括消费产品，如电源、快速充电器(提供比硅更高的功率密度)，以及一些汽车应用。这些都是巨大而迅速扩张的市场。Yole Développement预计，到2026年，GaN消费手机电源市场将超过5.97亿美元，2020年至2026年的CAGR为72%。

Yole复合半导体和新兴基板技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane表示:“在电动汽车/混合动力汽车市场，全球都在大力推动汽车电动化。“人们对48V DC/DC转换的兴趣越来越大轻度混合动力电动汽车(mhev)和车载充电器(obc)，其中高开关GaN设备可以实现更紧凑、更小体积的系统。此外，随着对电源设备的新规定，GaN技术预计将渗透到低于3kW的数据通信和电信电源市场。”

苹果为其新款MacBook Pro配备的140瓦MagSafe充电器是GaN的一大胜利，标志着苹果首次采用GaN技术。在最近的一份报告中，市场研究机构TrendForce表示，100瓦以上的快充生产已进入增长期，加速了第三代半导体器件在消费应用中的采用。随着GaN功率晶体管价格下降到近1美元，以及GaN快充技术的持续成熟，TrendForce预计未来几年GaN解决方案在快充市场的渗透率将达到52%。

GaN还将在数据中心和5G基础设施的射频功率放大器中发挥重要作用。

“公用事业和冷却是数据中心运营商的主要成本项目，GaN电力设备以其卓越的效率提供了节能机会，”David Uriu说，公司营销技术总监联华电子．“出于类似的原因，GaN电源器件正在强势进入SMP快速充电器市场。另一方面，与硅基射频LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)相比，GaN射频器件具有更好的射频性能，因此正成为5G基础设施不可或缺的一部分。无论哪种应用，GaN都将通过节能为绿色世界做出重要贡献。”

氮化镓基础知识
PowerAmerica制造美国研究所执行董事兼首席技术官Victor Veliadis指出，GaN功率器件的商用电压范围为100V、200V和650V，有几家供应商提供900V。PowerAmerica制造美国研究所由美国能源部成立，旨在加速SiC和GaN功率电子器件的采用。

“它们具有横向配置，不像SiC功率器件具有垂直配置，”Veliadis说。“GaN器件是原生耗尽模式(正常开启)，而a共源共栅配置和一些“成熟”技术被用于设计GaN功率器件的增强模式(常关)，这是电力电子应用工程师所青睐的。GaN功率器件的制造类似于RF GaNHEMT多年来，该产品一直可从批量晶圆厂/代工厂获得。因此，GaN功率器件的一大优势是它们完全兼容cmos，因此可以在硅晶圆厂/代工厂大量制造，利用硅制造的规模经济。”

PowerAmerica公司的北卡罗莱纳州立大学电气工程教授Veliadis指出，这种兼容性也允许GaN ic的制造，横向配置简化了封装。“GaN器件在大型CMOS晶圆厂制造的器件中提供了更低的重量、体积、高效率和更小的宽带隙尺寸优势。GaN能够在远高于硅和SiC的频率下有效工作，这减小了系统无源组件的尺寸，提供了无与伦比的小尺寸系统。”

这种小尺寸的优势也使GaN功率器件成为大量应用于消费电子产品、电机驱动、数据中心不间断电源和5G企业设备的优秀候选。

Veliadis表示:“就电动汽车而言，目前大多数采用400V总线架构，因此650V GaN器件在利润丰厚的牵引逆变器、DC-DC转换器和车载充电器方面与成熟坚固的硅igbt和SiC竞争。”“这确实是一个大众市场，这三种材料技术都具有很强的竞争力。”

为了实现更高的效率(相同电池续航里程更长，或较小电池续航里程相同)和快速充电，电动汽车正迅速转向800V总线架构。他指出:“在这个电压下，1200v mosfet具有优势，因为它们是在2011年商业化的，并且已经经历了几代优化。”“对于1200v mosfet，需要2级拓扑，而650V GaN需要3级拓扑。这意味着该电路可以用更少的SiC器件实现。当然，在为应用程序选择合适的设备时，有许多权衡，但2级系统简化是一个重要的考虑因素。”

光学产品营销总监Paul Knutrud表示，与此同时，GaN正在取代GaAs和硅，用于军事、基站、医疗保健和消费电子等许多与功率相关的应用上的创新．他将高功率和高切换速度列为GaN的主要优势。

其他人也指出了类似的优势。Navitas半导体公司负责市场营销和投资者关系的企业副总裁Stephen Oliver认为，速度是GaN技术的主要优势，同时GaN材料丰富且成本低。

奥利弗说:“原材料的成本非常低，当你把它们放在一起时，这些晶体形成了一种新型的半导体，它在一半的时间里显然是导电的，而在另一半时间里则不导电或隔离。”“如果你有一根氮化镓线和一根硅线，通过等量的电流，氮化镓就会保持凉爽。单位面积的硅电阻更低，所以运行温度更低。”

更重要的是切换速度。他说:“GaN真正的关键在于它是一匹真正喜欢高速奔跑的赛马。”“当我们谈到电源转换时，高速意味着我们切换设备的速度有多快。在电源转换中，如果你想象一个变压器，你在线圈旁边有一根电线，然后有一个铁氧体材料的环，在后面有第二个线圈可以把它取下来。如果你把能量注入变压器，它绕着环转，然后再出来，如果你慢慢地这样做，你就需要一大桶能量。所以变压器在物理上很大。但如果速度越来越快，每一桶能量就会越来越小。所以变压器不需要储存那么多能量。你可以让它变小，当它变小时，它就变便宜了。它变轻了。 And we can also use switching methods — different ways of organizing the circuit into topologies, which means they are no longer academic curiosities. We can now do industry-proven power conversion at high speed using gallium nitride. You run fast and shrink, and you can make a phone charger three times smaller than for silicon. So speed shrinks the things down.”

氮化镓的首次商业应用是在led和蓝光dvd中。高频性能后来使其在射频GaN的5G手机发射机芯片中具有吸引力，现在它越来越多地进入电源转换领域，特别是在基于GaN的快速充电器中。

应用基础扩大
高效功率转换(EPC)已记录了其eGaN fet和ic的100多个新兴应用。该公司首席执行官亚历克斯·利多(Alex Lidow)表示，增长最快的五个应用分别是用于机器人、无人机、消费品、驾驶员警报系统和自动驾驶汽车的激光雷达系统;用于AI系统、服务器、电信电源系统的DC-DC转换器;电动移动和机器人的电机驱动;卫星系统，包括需要辐射硬度的电机驱动器和DC-DC电源;还有太阳能点追踪器。

利多说:“这些应用的采用率已经超过了临界点。”“早期采用者都已投入，实用主义者正在努力追赶。每个新用户都有一个学习曲线，但有很多资源可以让首次用户进入成功的设计。剩下的障碍大多是人们坚持的神话。例如，GaN并不比硅贵。这是大约五年前的事了，但我们是从客户那里听到的，直到他们真正看到报价。另一个误区是GaN不如硅可靠。再一次，通过大量的可靠性报告，以及在高要求应用程序中成功运行的数千亿小时，这个神话已经被打破了。”

与其他晶体管技术相比，GaN的另一个关键优势是其极低的开关损耗，该公司开关电源和电池供电应用产品和系统工程总监George Liang指出英飞凌科技．“任何重视最低功耗(高效率)的电力电子应用都将自然而然地适合GaN。对于要求小尺寸的应用，GaN可以在不增加功率损耗的情况下实现更高的工作频率，从而实现更高的密度解决方案。对于电动汽车市场，GaN是针对非常紧凑的车载充电器的宽带隙技术之一。另一个大市场是适用于从手机到电视等大型消费电子产品的紧凑型充电器/适配器。另一个应用领域是电信和数据中心使用的服务器电源，效率的提高降低了运营成本。”

Transphorm目前正在生产功率范围从30瓦到10千瓦的GaN器件。“我们的fet用于跨行业应用，如电源适配器、加密挖矿电源模块、数据服务器电源模块、太阳能逆变器、电动汽车充电器等。Transphorm首席执行官Primit Parikh指出，电动汽车、智能手机、笔记本电脑和物联网设备充电器的机会很高。GaN器件对电动汽车市场具有重大影响，预计到2030年，该市场的复合年增长率将达到21%。这些设备提高了电力效率(从而减少了电力损失和热量浪费)，使新的设计成为可能，从而实现更小的冷却系统，更符合空气动力学和/或更轻的汽车，充电更快，续航里程更长。”

图1:GaN半导体的一些常见用途。来源:Transphorm

帕里克指出，收件箱和售后市场充电设备是大容量产品，而5G设备耗电大，需要65瓦的快速充电。相比之下，数据中心和加密挖掘是任务关键型应用，两者都需要大量的电力。“用于解决复杂方程和存储流数据的计算机也会产生大量的热量，”他说。这两个因素占总运营成本的40%。”

GaN技术允许这些计算机以相同的容量运行，同时减少能源消耗和热量产生，他说。“最终，这降低了数据中心和加密挖矿设备的运营成本。预计到2024年，仅加密挖矿一项就将增长超过20亿美元，任何有助于降低成本和提高效率的产品都将成为热门商品。”

其他国家也报告了类似的增长。梁启超表示，GaN已经是英飞凌全面投产的主流技术。他说:“与任何功率晶体管技术一样，有一个不断改进的过程，力求更好的质量、可靠性和成本。”“例如，随着我们在不久的将来将晶圆生产从150毫米转向200毫米，我们预计将提高产能，改善成本结构。”

哪里有用，哪里没用
今年4月，Imec和沉积设备供应商AIXTRON的研究人员宣布，他们成功演示了GaN缓冲层的外延生长，在200mm QST衬底上适用于1200v应用，硬击穿超过1800v。1200v缓冲层的可制造性为基于gan的最高电压电源应用打开了大门，例如电动汽车，以前只有基于SiC的技术才能实现。现在的问题是，它们什么时候具有价格竞争力——如果有的话。

图2:Imec/AIXTRON外延生长在GaN缓冲层上。来源:Imec /德国爱思强公司股价

梁说，目前所有可用的GaN功率晶体管都是横向晶体管。“按比例增加击穿电压需要更大的模具面积和更厚的epi层。对于给定的导通电阻，不仅模具尺寸增加，而且单位面积的成本也增加。基于这一原因，英飞凌认为，与SiC相比，1200v或更大的GaN晶体管将不具有价格竞争力。请注意，(Imec)发布只是说明这些电压水平已在GaN上得到验证。这距离证明它是合格的、可以投入生产或具有任何经济意义还有很长的路要走。”

Yole技术和市场分析师Taha Ayari表示，GaN在不同市场的渗透率将根据每种应用的要求而有所不同。“总的来说，GaN器件剩余的挑战是可靠性和性能接受度，价格竞争力，以及用于高功率应用的高压器件的开发。其中一个主要障碍仍然是GaN层在硅衬底上的外延，晶格不匹配，以及两种材料之间的热膨胀系数不匹配，这在GaN层中产生了致命缺陷。所以它需要一个复杂的缓冲层和后处理层。外延通常与制造商开发的内部工艺有关，使得外延标准化相当棘手。此外，价格压力和更高的产量需求正在推动行业从传统的6英寸平台向8英寸平台过渡，这将需要更多的外延开发，以实现一致性和更高的产量。”

更大的晶圆仍然是一个挑战。“GaN和硅基器件确实在电源和射频应用中得到了很好的建立，”David Haynes说，他是美国半导体公司客户支持业务集团战略营销董事总经理林的研究．“但这主要是在6英寸或更小的晶圆上，在许多基于gan的设备的情况下，在蓝宝石和SiC等基板上。

Haynes表示:“如今，为了提高这些技术与主流半导体加工的兼容性，并提高该技术在更先进或更大批量应用中的经济性，200毫米晶圆加工出现了强劲的转变。”“SiC正在向200mm转移，随着200mm晶圆成本和可用性的提高，产量将在未来两到三年内大幅增加。”

Haynes指出，Lam尤其专注于200mm SiC沟槽MOSFET应用。“对于GaN来说，在200mm，甚至在未来300mm, GaN在硅上技术性能的提高是支撑该技术发展的基础。200mm GaN-on-silicon电源和射频器件的加工真正为CMOS集成和兼容CMOS代工工艺提供了可能性。在Lam，我们开发了一系列与200mm和300mm GaN-on-silicon生产兼容的超低损伤蚀刻和沉积工艺，以及先进的单片清洁工艺，以支持CMOS代工兼容性。”

Navitas的Oliver指出，在电动汽车领域，碳化硅解决方案比GaN更具有关键优势，因为它比GaN成熟了大约10年，并且具有更好的热性能。

“碳化硅适用于大功率、高压材料。碳化硅的问题是它实际上是一种很慢的半导体。它的导电性很好，但当涉及到开关和转换功率时，它的损耗比氮化镓大得多。”奥利弗说。一些公司，如生产太阳能微型逆变器的Enphase Energy和瑞士汽车供应商Brusa Electronik，已经开始评估和设计Navitas的GaN电力系统。GaN正在变得越来越成熟，目前我们已经生产了3400万套GaN，现场作业时间为1200亿小时，现场故障报告为零。”

PowerAmerica的Veliadis表示，GaN定位良好，其高频工作为100V、200V和650V工作电压范围的应用带来了强大的优势。“在电压范围方面，商用GaN器件是横向的，因此不能超过650V(尽管Transphorm确实提供了900V的解决方案)。因此，与商用的1200v SiC器件相比，在1200v及以上范围内竞争需要更高的拓扑级别。”

EPC的Lidow指出，GaN没有物理电压击穿限制，但它有实际的限制。“GaN和SiC具有类似的能力，可以在不击穿的情况下阻挡强电场。然而，GaN具有二维电子气体(2DEG)的独特特征，与硅或SiC相比，它使电子在表面上移动得非常灵活。”

因此，当有源器件是横向时，GaN比这两种半导体材料中的任何一种都具有明显的优势。“这意味着接触终端都在一个表面上。在碳化硅或硅MOSFET中，器件的一侧有源极和漏极，另一侧有漏极。”“当电压接近1000v时，垂直设备几乎是必需的，因为如果你做横向设备，终端之间所需的距离会比有源设备大。很多人会问，为什么不是垂直GaN呢?答案是垂直GaN比垂直SiC没有优势。与SiC相比，GaN具有更高的热阻，因此处于不利地位。此外，没有成本优势。综上所述，我预测在650V以下，GaN将是主导电源技术，900V以上，SiC将是主导技术。在650V和900V之间，硅和SiC上的GaN将有细分应用。”

结论
尽管如此，GaN在一些有意义的地方正变得根深蒂固。GaN技术已经在现场进行了设计和测试。虽然在制造障碍和基于更高电压gan的设备的可扩展性方面仍然存在一些问题，但这些问题应该在相对不久的将来得到解决。

Lidow在谈到GaN功率半晶片时表示:“我确实认为，我们已经度过了最大应用的临界点。”“这意味着最大的障碍是各种应用的设计周期。教育和融合都能缩短学习周期。”

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