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近日，有權(quán)威人士透露，我國計(jì)劃把大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入正在制定中的“十四五”規(guī)劃，以期在 2021-2025 年期間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主。第三代半導(dǎo)體對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的重要意義可見一斑。重視之余，還要搞清楚在量大面廣的民用領(lǐng)域，不同材料技術(shù)究竟適合哪些應(yīng)用？哪些領(lǐng)域可以率先嘗試？
近年來，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為全球一個(gè)必然趨勢，2025 年到 2040 年一些國家將全面禁售燃油車銷售。盡管借助了空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使用更輕的材料和更高效的電池，但對(duì)增加續(xù)航里程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如何讓電動(dòng)汽車達(dá)到最佳功率轉(zhuǎn)換效率，才是電動(dòng)汽車贏得青睞的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須借助于先進(jìn)功率器件，比如同為第三代寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。
由于更高的性能和更高的可靠性，未來汽車應(yīng)用將是寬帶隙器件的最大市場，一些頭部車企已開始使用 SiC，GaN 也顯示出替代硅器件后來居上的優(yōu)勢。預(yù)測表明，GaN 將在 2020 年之后迎來大規(guī)模采用。
GaN 市場的演變
分析表明，早期采用 GaN 的都是需要高性能、高效率的應(yīng)用，市場較??；工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展緩慢，但生命周期長。2019 年，GaN 市場出現(xiàn)了增長拐點(diǎn)，2021 年后的增長將由汽車應(yīng)用來推動(dòng)。
從發(fā)明到商用，成為“頂流”要實(shí)力說話
歷史總是驚人的相似，故事經(jīng)常出奇的雷同。1955 年，美國無線電公司的 Rubin Braunstein 發(fā)現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）與及其他半導(dǎo)體合金的紅外線放射作用；1962 年美國通用電氣的 Nick Holonyak Jr 開發(fā)出可見光 LED；全球第一款商用 LED 是 1965 年用鍺材料作成的，單價(jià) 45 美元；1972 年有少量 LED 顯示屏用于鐘表和計(jì)算器；上世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了表面貼裝器件（SMT）LED；LED 真正起飛是在上世紀(jì) 90 年代，日本日亞的 Shuji Nakamura 利用氮化鎵制成了藍(lán)光 LED，之后白光 LED 啟動(dòng)了廣泛的 LED 應(yīng)用時(shí)代。記得 2005 年時(shí)，一個(gè) LED 燈泡要 20 多元，2012 年 10 月，《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》發(fā)布，將從 2016 年 10 月 1 日起禁止進(jìn)口和銷售 15 瓦及以上的白熾燈，現(xiàn)在即使淘寶上還有賣，但是絕大多數(shù)人已不會(huì)選擇。這就是技術(shù)的實(shí)力。
第三代半導(dǎo)體很像當(dāng)年的 LED，電動(dòng)汽車也差不多。GaN 屬于寬帶隙材料家族，是一種二元化合物，所有也叫化合物半導(dǎo)體材料。其分子由具有纖鋅礦六角形結(jié)構(gòu)的一個(gè)鎵原子（III- 基，Z = 31）和一個(gè)氮原子（V- 基，Z = 7）組成。
GaN 的原子結(jié)構(gòu)
在功率和效率方面，GaN 比硅具有明顯的優(yōu)勢。以全部是電子部件的電動(dòng)汽車為例，從電池到驅(qū)動(dòng)車輪的電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換是一個(gè)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，電機(jī)自身的效率至關(guān)重要。拋開電池本身的因素，目前功率轉(zhuǎn)換的效率約為 92%。假如使用 100kW 的電機(jī)（實(shí)際更高），92%效率意味著熱損耗為 8kW。一個(gè)大容量電飯煲的功率也就 1kW，損失的熱量相當(dāng)高，足夠做熟幾鍋米飯，所以需要很好的冷卻系統(tǒng)（如水冷系統(tǒng)），而這又要消耗更多能量。
如果有一種技術(shù)可以將效率提高到 98%又將如何呢？這時(shí)熱損耗將減少到 2%，也就是 2kW，這樣就可以用風(fēng)冷系統(tǒng)來冷卻。這種技術(shù)就是 GaN。從硅轉(zhuǎn)向 GaN 不僅可以降低損耗，還能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量，進(jìn)而又延長了行駛里程。
這個(gè)時(shí)刻已經(jīng)到來，GaN 已完成了從發(fā)明到商用的進(jìn)化，并開始了其作為主流功率晶體管技術(shù)的里程。
那么，為什么沒有更早采用 GaN 技術(shù)呢？Nexperia 公司功率 GaN 技術(shù)戰(zhàn)略營銷總監(jiān) Dilder Chowdhury 說：“要讓一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走出來，應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)需要十年甚至更長的時(shí)間，GaN FET 就是這種情況。”
Dilder Chowdhury
他回顧道，過去三四十年，GaN 一直都在實(shí)驗(yàn)室中，1990 年以來，雖然這種 III-V 直接帶隙半導(dǎo)體材料已廣泛用于發(fā)光二極管（LED），但要進(jìn)入主流功率晶體管應(yīng)用并不容易。后來它用到了射頻和無線電領(lǐng)域，如 4G 和 5G 基站。而在功率領(lǐng)域，由于成本原因，GaN 技術(shù)的可行性不高。與其說增加成本，不如說人們?cè)敢獬袚?dān)一些可接受的功率損耗，直到 GaN 技術(shù)的成本達(dá)到合理價(jià)位?，F(xiàn)在，硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術(shù)提供了更好的成本路線圖。
不同領(lǐng)域的收入增長階段
Dilder Chowdhury 認(rèn)為，這種顛覆性技術(shù)正處于轉(zhuǎn)折點(diǎn)。它已經(jīng)過了早期采用階段，進(jìn)入了增長期，初始量產(chǎn)的產(chǎn)品已用于高性能應(yīng)用。從生產(chǎn)角度看，雖然制造 GaN 的內(nèi)部流程有所不同，但都采用了利用硅知識(shí)加以完善的相同生產(chǎn)系統(tǒng)。很顯然，GaN 晶圓和硅晶圓不同，這意味著制造方式也不相同。整個(gè)行業(yè)正在想辦法調(diào)整大部分流程來確保順利生產(chǎn)。
功率電子也看“摩爾定律”？
降低功率損耗是整個(gè)行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)，一些半導(dǎo)體廠商認(rèn)為，GaN 是功率半導(dǎo)體的未來。在功率電子的“摩爾定律”面前，GaN 為繼續(xù)提升功率密度提供了有效的途徑。與硅和 SiC 相比，GaN 的內(nèi)在性能優(yōu)勢在于，它在任何電壓范圍都具有更高的效率和最低的功率轉(zhuǎn)換損耗，且可在更高頻率下工作。相對(duì)成本優(yōu)勢也不在話下，硅基 GaN 比 SiC 更便宜，系統(tǒng)成本也低于硅。更小、更輕、更涼爽的電源系統(tǒng)推動(dòng)了功能價(jià)值的提升，在器件級(jí)也接近硅的平價(jià)成本路線圖?？磥怼澳柖伞币苍谄鹱饔?。
GaN 與其他半導(dǎo)體的對(duì)比
市場趨勢顯示，除了行將爆發(fā)的 5G 手持設(shè)備和將于 2022 年大幅增長的 RF 市場對(duì) GaN 的需求，2025 年 1200 萬輛的電動(dòng)汽車市場也將批量應(yīng)用 GaN Power FET，主要用途是車載充電器、功率轉(zhuǎn)換器、電源逆變器。
推動(dòng) GaN 需求的市場趨勢
雖然，汽車市場商用 GaN 功率器件的份額仍落后于 SiC，但其適用性正在得到證實(shí)，在某些方面甚至有后來居上之勢。
克服硅基 GaN 挑戰(zhàn)
在用 GaN 實(shí)現(xiàn)主流大功率 FET 之前，有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，從制造角度看，III-V 族半導(dǎo)體的制造成本往往比較高。能夠在大型硅襯底上成功生長出具有適當(dāng)外延性能的厚 GaN 外延層，是使用標(biāo)準(zhǔn) 150 毫米（6 英寸）晶圓進(jìn)行生產(chǎn)的關(guān)鍵。否則，具有可伸縮性和降低成本意義的真正批量生產(chǎn)就是紙上談兵。
對(duì)于 FET 器件本身，解決動(dòng)態(tài) RDSon 等問題對(duì)于實(shí)現(xiàn)客戶所需的器件性能至關(guān)重要。只有開關(guān)品質(zhì)因數(shù)（RDSon x Qgd）和反向恢復(fù)電荷（Qrr）大大降低，才能實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更高效的功率轉(zhuǎn)換。
在批量生產(chǎn)方面，需要借鑒將汽車 MOSFET 測試推向關(guān)鍵可靠性測試的 AEC-Q101 認(rèn)證要求的經(jīng)驗(yàn)。這意味著要花大量時(shí)間對(duì) GaN 器件進(jìn)行反復(fù)測試，以確保其在整個(gè)生命周期都能兌現(xiàn)高可靠性的承諾。
當(dāng)然，還要從應(yīng)用拓?fù)涞慕嵌攘私夤杌?GaN FET 的真正優(yōu)勢，因此需要表征功能器件并了解其在各種拓?fù)渲械男袨?，以此建立?duì) GaN 的理解和內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)來支持客戶，使其成為主流的功率半導(dǎo)體技術(shù)。
最后，除了效率和質(zhì)量之外，客戶也十分看重值得信賴的穩(wěn)定產(chǎn)品供應(yīng)。制造廠（包括前端、后端的各種封裝工藝）需要經(jīng)過全面垂直整合，才能完成最優(yōu)化的規(guī)?；a(chǎn)，并有可能通過投資不斷加大產(chǎn)能。做好了上述每個(gè)步驟，才能保證生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的長期穩(wěn)定，確保客戶對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)放心。
GaN 之于汽車應(yīng)用
社會(huì)壓力和減少二氧化碳排放的趨勢正在推動(dòng)汽車行業(yè)加大投資，提高功率轉(zhuǎn)換效率和電氣化水平。功率 GaN 技術(shù)不但表現(xiàn)出極大的性能優(yōu)勢，還能為電動(dòng)汽車等功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用帶來一系列優(yōu)勢。
汽車行業(yè)的電氣化應(yīng)該是功率 GaN 技術(shù)的最大受益者。電動(dòng)車 / 混合動(dòng)力汽車（xEV）的功率損耗會(huì)影響續(xù)航里程，而這正是電動(dòng)汽車普及的難點(diǎn)所在。因此，高效的功率轉(zhuǎn)換對(duì)于電動(dòng)汽車的成功至關(guān)重要。此外，更加高效的功率轉(zhuǎn)換可減少使用昂貴冷卻系統(tǒng)的散熱需求，降低車輛重量和系統(tǒng)復(fù)雜性，從而潛在地增加續(xù)航里程。受益于 GaN 技術(shù)的電動(dòng)汽車系統(tǒng)包括：AC/DC 車載充電器、DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橐褂?12V/48V/400V 電池，它們必須能夠相互兼容；還有為電池充電的插座，以及驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)的 DC/AC 逆變器。所有這些設(shè)備都需要高效的功率轉(zhuǎn)換，也是 GaN 技術(shù)的用武之地。
Transphorm 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營官 Primit Parikh 在談到與全球領(lǐng)先的汽車行業(yè)獨(dú)立供應(yīng)商 Marelli（馬瑞利）合作聯(lián)合開發(fā)新能源汽車新技術(shù)時(shí)表示：“汽車和電動(dòng)汽車代表了 GaN 在功率轉(zhuǎn)換方面的最大機(jī)遇之一，與新電動(dòng)汽車場景完整電動(dòng)平臺(tái)領(lǐng)先供應(yīng)商的合作進(jìn)一步證明了 GaN 解決方案的品質(zhì)、可靠性、完美制造工藝和整體產(chǎn)品性能?！?/p>
Primit Parikh 博士
Marelli 的完整的電動(dòng)動(dòng)力總成（e-Powertrain）系統(tǒng)范圍涵蓋 48V 至 800V 電動(dòng)汽車完整能量流的管理、控制和優(yōu)化。利用從賽車（F1、Formula E）到乘用車的技術(shù)轉(zhuǎn)移，以及批量生產(chǎn)組件的可靠記錄，加上領(lǐng)先的 GaN 技術(shù)，將最大限度地提高功率密度和效率。
Marelli 的電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)
在 Primit Parikh 看來，GaN 在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用還有很多方面，包括大功率線控系統(tǒng)、氣候控制（熱泵）、空調(diào)（AC 電機(jī)）、12V 電池充電，使用制動(dòng)卡鉗的駐車制動(dòng)器和懸架控制等。
GaN 在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用
效率的根本問題在于開關(guān)損耗，每個(gè)開關(guān)周期中都會(huì)出現(xiàn)電流電壓交越，這就會(huì)產(chǎn)生交越損耗，在轉(zhuǎn)換過程中還會(huì)發(fā)生干擾及其損耗。如果能夠使電壓降至零，同時(shí)電流升至最高，電壓電流交越就最小，那么開關(guān)損耗將會(huì)接近零。這樣就可以最大程度地提高效率和延長電池使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大約 10%的改進(jìn)。這就是 GaN 的作用。高功率 GaN 能夠顯著降低開關(guān)損耗，因此同樣的電池可以行駛更長時(shí)間。
舉個(gè)例子，如果將 200kW 逆變器效率從 95%提高到 99%，就可以將滿載功率損耗從 10kW 降低到 2kW，僅為原來的五分之一。這樣，不但減少了 8kW 損耗（提高有用牽引功率），還不必使用昂貴冷卻系統(tǒng)，同時(shí)減少冷卻能量消耗及冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量。
目前，功率 GaN FET 已克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多限制，如基于硅的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和硅超結(jié)（SJ）解決方案。功率 GaN 沒有反向恢復(fù)損耗，可實(shí)現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗（高速開關(guān)特性），更高臨界電場和更高遷移率可以實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗。在高電壓下的低導(dǎo)通電阻可以提供出色的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)。
無論是 AC/DC PFC 級(jí)、DC-DC 轉(zhuǎn)換器還是牽引逆變器，大多數(shù)拓?fù)涞幕緲?gòu)建模塊都是半橋。因此，在簡單升壓轉(zhuǎn)換器中比較 GaN FET 與 Si FET 時(shí)，GaN FET 的表現(xiàn)更為出色。
在汽車中用功率 GaN 替代傳統(tǒng)方案，以更簡單的控制方案就能充分發(fā)揮器件數(shù)量少和高效率的優(yōu)勢。GaN 功率晶體管更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率有助于改善信號(hào)控制，為無源濾波器設(shè)計(jì)提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而縮小電感、電容和變壓器的體積，進(jìn)而構(gòu)建體積更小的緊湊型系統(tǒng)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。
半導(dǎo)體廠商競逐高功率 GaN 藍(lán)海市場
目前，有很多公司在推廣 SiC 技術(shù)，這種材料的生產(chǎn)較 GaN 更為成熟。但另一些廠商卻與 GaN 結(jié)下了不解之緣，他們?cè)谂铀俪?SiC。他們從事新技術(shù)，探索全新領(lǐng)域，是藍(lán)海市場的先驅(qū)者，因?yàn)闆]有人來過這里。
功率 GaN 已在主流消費(fèi)市場應(yīng)用，其他應(yīng)用還是藍(lán)海
這里介紹幾家比較典型的 GaN 技術(shù)公司，他們是你中有我，我中有你，真的是剪不斷，理還亂！
Cree（科銳公司）主打?qū)＠跈?quán)：第三代半導(dǎo)體的領(lǐng)軍企業(yè)，SiC 和 GaN 都做。Cree 認(rèn)為，GaN 存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是難以生長 GaN 外延膜。這是由于在尺寸和純度方面，難以制造用于同質(zhì)外延的天然 GaN 襯底。因此，需要用異質(zhì)外延生長的另一種襯底。這種材料不僅必須具有高熱導(dǎo)率，還必須與 GaN 晶格低失配。
該公司稱，已經(jīng)在硅、SiC 和金剛石襯底上制造了 GaN 器件，但目前只有 SiC 才能最好地滿足所有要求。相比其他材料，緊密匹配的晶格結(jié)構(gòu)意味著 GaN 外延可以在 SiC 上以更低的位錯(cuò)密度生長，減少了泄漏并提高了可靠性。另外，硅既不匹配 GaN 的晶格結(jié)構(gòu)也不匹配熱性能。翹曲會(huì)導(dǎo)致更高的缺陷密度及可靠性和可制造性問題。因此，碳化硅基 GaN（GaN-on-SiC）不僅克服了 GaN 制造方面的挑戰(zhàn)，而且憑借其卓越的價(jià)值主張，在 4G、5G 基礎(chǔ)設(shè)施中主導(dǎo)了 GaN 市場。不過，它還是將包括汽車應(yīng)用高功率 GaN 器件的專利大范圍授權(quán)給了在某一領(lǐng)域更有優(yōu)勢的公司。
2013 年，Cree 將 GaN 器件專利非獨(dú)家授權(quán)給 Transphorm，涵蓋 GaN 材料、HEMT 和肖特基二極管的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的各個(gè)方面。當(dāng)時(shí) GaN HEMT 器件已經(jīng)廣泛用于射頻市場，授權(quán) Transphorm 旨在利用其功率轉(zhuǎn)換市場的優(yōu)勢進(jìn)入新的領(lǐng)域。彼時(shí)，Cree 專注于 LED 照明及 GaN 射頻收發(fā)器技術(shù)。
2016 年，英飛凌欲以 8.5 億美元現(xiàn)金收購 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 部門；翌年，因化合物半導(dǎo)體的重要性沒有通過美國 CFIUS 的美國國家安全風(fēng)險(xiǎn)審查而告吹。
時(shí)至今日，Wolfspeed 的功率業(yè)務(wù)還是以 SiC 為主，為電動(dòng)汽車提供高壓、高溫、降低耗能的組件。至于 GaN，只提供代工服務(wù)，而且是碳化硅基 GaN MMIC 技術(shù)，包括設(shè)計(jì)輔助、測試和支持，幫助客戶以更快的周期、更高的首過設(shè)計(jì)成功率和更高的可靠性實(shí)現(xiàn)從最初開發(fā)到批量生產(chǎn)的規(guī)格。
目前，除了高規(guī)格產(chǎn)品使用碳化硅基 GaN 技術(shù)外，具有成本優(yōu)勢的還是硅基 GaN，特別是車用、智能手機(jī)等民用市場。
Wolfspeed 只提供碳化硅基 GaN 代工服務(wù)
2018 年，Cree 還將 GaN 功率器件專利組合非排他性授權(quán)給了 Nexperia，包括超過 300 項(xiàng)已授權(quán)美國和國外專利，涵蓋 HEMT 和 GaN 肖特基二極管等諸多創(chuàng)新，但不包括技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
Cree 聯(lián)合創(chuàng)始人兼 Wolfspeed 首席技術(shù)官 John Palmour 表示：“Cree 創(chuàng)立以來，對(duì)包括 GaN 和 SiC 在內(nèi)的新型化合物半導(dǎo)體材料進(jìn)行了深入研究，并利用其獨(dú)特性能開發(fā)出新型器件?；?Cree 數(shù)十年創(chuàng)新成果的器件，有助于實(shí)現(xiàn)新型電源管理和無線系統(tǒng)的市場導(dǎo)入。為了加速這類新市場的增長，Cree 正在對(duì)用于電源管理系統(tǒng)的 GaN 功率器件專利開展授權(quán)。”
John Palmour
Transphorm 專利組合支持高壓 GaN：公認(rèn)的 GaN 技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，從 Cree 獲得了 GaN 技術(shù)授權(quán)，其重點(diǎn)是為高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供最高效能、最高可靠性的 GaN 半導(dǎo)體，優(yōu)勢是擁有與汽車行業(yè)（尤其是日本）直接合作的成功經(jīng)驗(yàn)。
公司創(chuàng)始人 Primit Parish 博士和 Umesh Mishra 早年創(chuàng)辦并成功運(yùn)營了一家名為 Nitres 的 GaN LED 公司，后被 Cree 收購，兩人又于 2007 年聯(lián)合創(chuàng)辦了 Transphorm 公司。
早在 2012 年，該公司就開發(fā)出第一代硅基 GaN 晶圓，到 2020 年已是第四代 GaN 平臺(tái)，與前幾代相比，其在性能、可設(shè)計(jì)性和成本方面都有明顯進(jìn)步，第四代及以后的平臺(tái)都將被稱為 SuperGaN 技術(shù)。Transphorm 希望其 SuperGaN FET 像硅基超結(jié) MOSFET 的發(fā)展一樣，通過提供更出色的性能，提高用戶的整體投資回報(bào)率，在功率等級(jí)方面創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。
Transphorm 的 GaN 技術(shù)平臺(tái)
該公司擁有行業(yè)最強(qiáng)的 GaN IP 地位，2010-2015 年與富士通（Fujitsu）和古河電工（Furukawa Electric）合作，包括一些專利轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目。通過這樣的“捷徑”，該公司擁有了 1000 多項(xiàng)全球?qū)＠褪跈?quán)，專利組合（自有+獨(dú)家授權(quán)）價(jià)值超過 2.25 億美元。正如 Primit Parikh 所說：“我們今天在為所有希望從 GaN 功率電子市場戰(zhàn)略優(yōu)勢中獲益的人提供夢寐以求的專利組合?！?/p>
1000 多項(xiàng)全球?qū)＠褪跈?quán)
在客戶批量生產(chǎn)的高性能功率轉(zhuǎn)換器和逆變器產(chǎn)品中，Transphorm 已經(jīng)部署了超過 25 萬片 650V GaN FET，包括 600V 至 900V 和 JEDEC 至 AEC-Q101 GaN 產(chǎn)品組合。2020 年 2 月，該公司與優(yōu)先客戶簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，汽車用 GaN 新產(chǎn)品的路線圖和技術(shù)合作浮出水面。
Transphorm 的汽車級(jí) AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件是 FETTP65H035WSQA，其鑒定測試期間的溫度高達(dá) 175℃。該器件采用標(biāo)準(zhǔn) TO-247 封裝，典型導(dǎo)通電阻為 35mΩ。與其前代產(chǎn)品 49mΩ GenII TPH3205WSBQA 一樣，該器件適用于插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和電池電動(dòng)汽車的 AC/DC OBC、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/AC 逆變器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn) AC/DC 無橋圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)。
3.3kW 電動(dòng)汽車 OBC 200kHz 相移全橋參考設(shè)計(jì)
2018 年 4 月，Transphorm 與 Nexperia 的投資和授權(quán)合作協(xié)議到期，后者支付 5000 萬美元以換取股權(quán)、IP 授權(quán)、轉(zhuǎn)讓和汽車市場準(zhǔn)入，形成了更好的汽車市場滲透，并創(chuàng)造了第二個(gè) GaN 來源。
沒錯(cuò)，任何新技術(shù)被市場接受的關(guān)鍵在于重要細(xì)分市場中領(lǐng)先客戶的采用，加上能夠支持隨后大批量生產(chǎn)的更多強(qiáng)大供應(yīng)商的出現(xiàn)，這樣才能建立和增強(qiáng)對(duì)供應(yīng)鏈的信心，真正獲得 GaN 節(jié)能的好處。
Nexperia（安世半導(dǎo)體）專攻車規(guī)器件：全球汽車行業(yè)獨(dú)立供應(yīng)商，前身是恩智浦的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品事業(yè)部，2017 年初獨(dú)立運(yùn)營，Transphorm 是其唯一參股公司；2019 年收入 150 億美元，同年被聞泰科技收購。Nexperia 在大批量生產(chǎn)滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)（AEC-Q100/Q101）的可靠和必需的半導(dǎo)體元件方面處于領(lǐng)先地位。
大約十年前，還是 NXP 的一部分時(shí)，Nexperia 即已開始研究機(jī)械穩(wěn)定的化合物半導(dǎo)體 GaN，探索其在光電子學(xué)中的應(yīng)用，以及為高頻和高功率設(shè)備提供許多顯著性能的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，GaN 不僅可以輕松處理比塊狀硅高得多的電壓，而且還具有很高的熱容和導(dǎo)熱率。因此，它是 650V 大功率 FET 的理想技術(shù)。
2019 年 11 月，是 650V GaN FET 的理想時(shí)間，Nexperia 正式進(jìn)入高壓領(lǐng)域，邁出了滿足大功率 FET 不斷增長需求的第一步。之后，公司繼續(xù)朝著包括表面貼裝版本在內(nèi)的汽車認(rèn)證器件的方向發(fā)展，以硅基 GaN FET 所提供的更高功率密度和效率推動(dòng)汽車動(dòng)力總成的電氣化。其電動(dòng)汽車用 GaN 技術(shù)的第一款產(chǎn)品是 GAN063-650WSA。
同期推出的 NX-HB3500EV 評(píng)估板是采用 Nexperia 功率 GaN FET 的半橋轉(zhuǎn)換器電路，提供了簡單的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器元件。它可以在穩(wěn)態(tài) DC-DC 轉(zhuǎn)換器模式下使用，輸出功率高達(dá) 3.5kW。在升壓模式下，以 200VDC 輸入和 400VDC 輸出，在 50kHz 和 100kHz 開關(guān)頻率下測得的效率非常優(yōu)異。
200V:400V 升壓轉(zhuǎn)換器的效率
Dilder Chowdhury 表示：“元件的生產(chǎn)必須為客戶創(chuàng)造最高的經(jīng)濟(jì)效益。我們是一家以汽車元器件為主要業(yè)務(wù)的公司，因此我們推出的任何新技術(shù)都必須保持最高品質(zhì)。我們?cè)谫|(zhì)量上絕不容許任何妥協(xié)?！?/p>
他認(rèn)為，相對(duì)于硅技術(shù)而言，高功率 GaN 是一種新興技術(shù)。這種技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)：從外延材料到晶圓處理，再到批量生產(chǎn)。Nexperia 采用內(nèi)部質(zhì)量流程，在每個(gè)創(chuàng)新階段和生產(chǎn)環(huán)節(jié)都保持相同的質(zhì)量和可靠性水準(zhǔn)；同時(shí)采用自有的 SMD 封裝 CCPAK（銅夾片封裝技術(shù)），以保持對(duì)生產(chǎn)流程的完全控制和實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
ST（意法半導(dǎo)體）打造量產(chǎn)能力：為增加 GaN 技術(shù)積累實(shí)力，將產(chǎn)品組合擴(kuò)展至 GaN 領(lǐng)域，2020 年 3 月，收購了法國氮化鎵創(chuàng)新企業(yè) Exagan 多數(shù)股權(quán)。此前 ST 已在建設(shè)一條新產(chǎn)線，將于 2020 年投產(chǎn)，用于生產(chǎn)包括硅基 GaN 異質(zhì)外延在內(nèi)的產(chǎn)品。
2018 年 ST 與 CEA-Leti 展開功率 GaN 合作，主要涉及常關(guān)型 GaN HEMT 和 GaN 二極管的設(shè)計(jì)和研發(fā)，以充分利用 CEA-Leti 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和 ST 的專業(yè)知識(shí)。ST 在位于法國的 CEA-Leti 中試線上研發(fā)產(chǎn)品，在技術(shù)成熟后轉(zhuǎn)移至 ST 在法國的 200 毫米量產(chǎn)線。
ST 不斷加大 GaN 的投入
Exagan 何以進(jìn)入 ST 的法眼？憑借的是提供最佳器件性能的輕松技術(shù)集成。其外延工藝、產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有助于拓寬并推進(jìn) ST 的汽車、工業(yè)和消費(fèi)用功率 GaN 的開發(fā)規(guī)劃和業(yè)務(wù)。Exagan 成立于 2014 年 4 月，是一家衍生公司，由兩名原始投資者 Soitec 和 CEA-Leti 及四只投資基金支持。該公司致力于研發(fā)體積更小、能效更高的功率轉(zhuǎn)換器，推進(jìn)功率電子行業(yè)從硅技術(shù)向硅基 GaN 技術(shù)轉(zhuǎn)變。Exagan 的 GaN 功率開關(guān)是為標(biāo)準(zhǔn) 200 毫米晶圓設(shè)計(jì)的。其獨(dú)特的垂直整合業(yè)務(wù)模型可確保其產(chǎn)品在最終應(yīng)用中針對(duì)可靠性和性能進(jìn)行優(yōu)化，包括控制材料的生長、器件設(shè)計(jì)、在標(biāo)準(zhǔn)大批量 CMOS 晶圓廠中進(jìn)行處理、封裝、應(yīng)用測試和支持。這些都有助于其兌現(xiàn)提供基于 GaN 的解決方案，使運(yùn)營效率和系統(tǒng)成本超過硅器件極限的承諾。
Exagan 聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁兼首席執(zhí)行官 Frédéric Dupont 表示：“自從硅 MOSFET 發(fā)明以來，作為對(duì)功率電子路線圖的最大顛覆，GaN 晶體管正在重新發(fā)明功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方式，以提高效率和更好地利用能源?！?/p>
Frédéric Dupont
他表示，晶體管是功率轉(zhuǎn)換的核心，當(dāng)今轉(zhuǎn)換器的尺寸和效率正受到晶體管的限制。當(dāng)開關(guān)頻率增加時(shí)，硅功率晶體管的性能會(huì)下降，開關(guān)損耗增加。這限制了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建可在所有功率范圍內(nèi)使用的高級(jí)電路架構(gòu)。憑借來自先進(jìn)材料全球領(lǐng)導(dǎo)者 Soitec GaN 技術(shù)的十年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，GaN 可以利用更少無源元件的創(chuàng)新轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)來提高效率，減小尺寸和材料清單來構(gòu)建新的轉(zhuǎn)換器，從而經(jīng)濟(jì)地滿足新應(yīng)用需求。
制造過程全面控制是實(shí)現(xiàn)成本競爭力和質(zhì)量的保證
1996 年，ST 即已成為寬帶隙材料市場的主要參與者之一，現(xiàn)在正利用 650V 和 100V 常關(guān)型 GaN HEMT 器件來擴(kuò)展寬帶隙功率產(chǎn)品組合。通過上述收購及合作，未來 ST GaN 產(chǎn)品將瞄準(zhǔn)汽車電氣化環(huán)境。ST 的 10 年長期供貨計(jì)劃也將確保持續(xù)穩(wěn)定地向客戶提供所選器件。
VisIC 不斷挑戰(zhàn)功率密度：VisIC Technologies 是一家以色列公司，由氮化鎵技術(shù)專家創(chuàng)立，旨在開發(fā)和銷售基于 GaN 的先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。其開發(fā)并推向市場的基于 GaN 的晶體管和模塊專門針對(duì)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、可再生能源和工業(yè)電機(jī)的高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。VisIC 已獲得 GaN 技術(shù)的主要專利，還有其他專利正在申請(qǐng)中。
VisIC 銷售和營銷高級(jí)副總 Ran Soffer 認(rèn)為，GaN 將取代當(dāng)前在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的大多數(shù)硅基產(chǎn)品。由于充電站基礎(chǔ)設(shè)施受限于各種條件，汽車中 OBC 至關(guān)重要。汽車制造商也正在努力使 OBC 冷卻系統(tǒng)的成本、尺寸和重量最小化。這種趨勢與 GaN 技術(shù)的優(yōu)勢非常吻合，尤其是 VisIC 的 D3GaN 解決方案。由于 GaN 可以快速開關(guān)且損耗最低，因此無源元件可以減少一半或 1/3。更小、更低成本、更高效的系統(tǒng)可以擴(kuò)大電動(dòng)汽車?yán)锍?；低開關(guān)損耗使冷卻系統(tǒng)更簡單，甚至可以采用風(fēng)冷的 OBC 解決方案，從而降低了汽車成本。
2018 年，VisIC 推出一款新的水冷半橋評(píng)估板，展示了使用其全 GaN 開關(guān)（先進(jìn)低損耗開關(guān)）實(shí)現(xiàn)的性能。V22N65A-HBEVB 評(píng)估平臺(tái)可以在任何半橋拓?fù)渲羞\(yùn)行，僅使用無需并聯(lián)的單個(gè) V22N65A 晶體管，進(jìn)行了高達(dá) 9kW 降壓和升壓拓?fù)涞臏y試，為混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車 OBC 提供了高功率密度的選擇。
2019 年，該公司為快速增長的電動(dòng)汽車市場提供了一款 6.7kW OBC 參考設(shè)計(jì)。其尺寸和重量分別僅為 2.3L 和 4.5kg，可提供近 3kW/L 的功率密度，再次證明了 GaN 開關(guān)的顛覆能力。與當(dāng)今市售產(chǎn)品相比，其功率密度提高了 3 倍；在較寬負(fù)載范圍效率高達(dá) 96％以上，有助于汽車制造商降低功率損耗，并為電動(dòng)車主提供更快的充電速度。Ran Soffer 表示：“這款參考設(shè)計(jì)可以幫助客戶加快設(shè)計(jì)，快速高效地將一流的 xEV 充電器投入市場，也讓電動(dòng)汽車更高效、更輕、更便宜?！?/p>
6.7kW OBC 參考設(shè)計(jì)
人們普遍認(rèn)為，GaN 技術(shù)與其他寬帶隙技術(shù)相比成本較低，GaN 技術(shù)將主要用于 400V 電源總線，而 SiC 通常用于更高功率的高壓 800V 電源總線。2020 年 3 月，VisIC 最新的 100kW 逆變器參考設(shè)計(jì)證明 GaN 技術(shù)也可以用于 800V-900V 電源總線，從而為高壓電源總線提供了最經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。
100kW 逆變器參考設(shè)計(jì)
基于 D3GaN 技術(shù)的 100kW 逆變器參考設(shè)計(jì)采用 VisIC 高熱效率、高閾值電壓、快速開關(guān)和易于并聯(lián)的 SMD 封裝 GaN 器件，為 EV 提供了最具成本效益、高效且可靠的電動(dòng)汽車逆變器解決方案，工業(yè)、光伏等領(lǐng)域也可以使用。
由于 D3GaN 器件的開關(guān)損耗低，在 40kHz 開關(guān)頻率下，該參考設(shè)計(jì)估計(jì)的峰值效率可達(dá) 99.3%。帶液體冷卻散熱器的總尺寸為 26.9 x 21.4 x 3.5cm3，包括液體冷卻在內(nèi)，功率密度為 50kW/L，總重量約為 2.5 公斤。
VisIC 創(chuàng)始人及首席技術(shù)官 Gregory Bunin 表示:“我們與德州大學(xué)的合作展示了專業(yè)的電源設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的系統(tǒng)解決方案，這一突破還將使 800V 電源總線的電動(dòng)汽車受益于 GaN 的低成本和高效率，并提供經(jīng)濟(jì)高效的電動(dòng)汽車，從而使我們的地球更綠色、更清潔。”
Gregory Bunin
參與合作研發(fā)的德州大學(xué)奧斯汀分校半導(dǎo)體功率電子中心主任 Alex Huang 博士說：“以前，GaN 在實(shí)現(xiàn)充電器的高功率密度方面表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，得益于 VisIC GaN 優(yōu)越的封裝理念和低損耗，我們相信在牽引逆變器等大功率應(yīng)用中也可以實(shí)現(xiàn)更高功率密度?！?/p>
英飛凌 GaN 仍是中小功率：上面說過，如果英飛凌收購 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 業(yè)務(wù)獲得成功，那又當(dāng)別論。為了補(bǔ)齊產(chǎn)品線，2015 年英飛凌收購國際整流器公司（IR），在硅基 GaN 領(lǐng)域邁了一大步，但仍需要松下的 HD-GIT 專利許可來鞏固收購獲得的成果，而且 IR 的技術(shù)只適合中、低功率應(yīng)用。這恐怕也是到 2018 年底英飛凌量產(chǎn)的 CoolGaNTM 400V 和 600V HEMT 只適合低功率 SMPS 和電信整流器應(yīng)用的原因。當(dāng)然，英飛凌的大功率 SiC 還是風(fēng)生水起。
CoolGaNTM 的主要應(yīng)用領(lǐng)域
未來規(guī)劃
最后，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷史表明，人們不會(huì)一下就放棄使用舊技術(shù)，GaN、SiC、Si 三種技術(shù)將會(huì)共存。但在新的領(lǐng)域，舊技術(shù)無法做到的事情將成為可能。況且，從電池到車輪的直接功率轉(zhuǎn)換器可能需要幾年時(shí)間才能推出，時(shí)下最重要的是向世界展示 GaN 的優(yōu)勢。
從企業(yè)層面看，要啟動(dòng)和保持獲利性的增長，就必須超越產(chǎn)業(yè)競爭，開創(chuàng)全新市場，包括突破性增長業(yè)務(wù)。GaN 就是一個(gè)有待探索的新知市場空間，尚無惡性競爭，是充滿利潤和誘惑的新興市場，值得深挖！但是，我們也必須看到，國外一些領(lǐng)先企業(yè)對(duì)第三代半導(dǎo)體技術(shù)已耕耘了幾十年，形成了完整的專利鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)企業(yè)要想彎道超車需要做出更大的努力。
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