GaN功率半导体爆发在即

2019-08-08 11:45:51 来源: 互联网

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GaN功率半导体，近来无论市场应用或技术进展皆跨入新的发展阶段，加上研究机构单体式整合制程的催化，后市可望由电源供应市场逐步壮大。

氮化镓(GaN)功率半导体可望大发利市。5G、AIoT时代来临，许多创新技术应用如自驾车、电动车、无线充电、扩增实境(AR)、工业智动化、无人机，甚至5G基地台，对于能源效率的要求将显著增加。可较现今硅(Si)功率元件实现更高转换效率的GaN技术，遂成为各界关注焦点，并吸引许多半导体业者争相投入布局。

根据市场研究机构Yole Développement指出，与硅功率半导体328亿美元的产值相比，GaN功率市场规模仍相当小，但该技术已开始渗透至各种应用领域，其中，又以电源供应为主要应用，如手机的快速充电器。

据了解，Anker可以说是目前市场上导入GaN功率技术最积极的移动周边装置制造商，其移动充电器PowerPort Atom PD第一代至第三代，以及PowerPort系列部分产品，和另一个PowerCore Fusion产品，都已开始导入GaN技术。另外，Aukey、RavPower、Mu One等厂商也有采用。

除了移动充电器外，自驾车光达(LiDAR)、资料中心伺服器、电动车，以及无线充电，亦是GaN功率半导体极具成长性的应用。Yole认为，GaN功率半导体能带来更高的节能效益，因此相关技术研发能量不断增加，商用产品也开始问世，整体GaN功率元件市场规模自2016年起已逐步放量；若情况乐观，预估2017 ~2023年的复合成长率(CAGR)可高达93%，达到4.23亿美元规模。

大厂加入量产行列GaN发展更入佳境

2018年6月，功率半导体大厂英飞凌(Infineon)正式宣布于年底开始量产CoolGaN 400V及600V e-mode高电子迁移率晶体管(HEMT)。

Yole技术与市场分析师Ezgi Dogmus认为，这家电源解决方案的领导厂商开始量产GaN的宣布，对GaN功率元件市场来说是一个重要的象征。目前英飞凌已经拥有许多客户在使用他们的硅解决方案，而未来这些客户都有机会能转移到GaN技术。

就在英飞凌发布GaN量产消息后没多久，意法半导体(ST)也宣布要由原本碳化硅(SiC)的发展，扩大延伸到GaN技术领域，将和法国技术研究机构CEA-Leti合作研发GaN-on-si技术，利用Leti的8吋研发产线进行二极体和晶体管开发。双方预期在2019年完成验证工程样品。同时，意法半导体也预计2020年将在该公司位于法国图尔市的前段晶圆厂中，建造完全符合规范的生产线(包含GaN-on-Si异质磊晶制程)，以做为初期生产之用。

除了整合元件制造商(IDM)发展力道愈来愈强，这些年来聚焦GaN功率元件开发商的新创公司也不断冒出，前面提及的EPC、Transphorm、GaN Systems是相对较早成立的，其他还有Tagore、Exagan、Navitas、VisIC、Dialog Semiconductor、GaNPower International、NEXGEN Power Systems和国内的英诺赛科等。

这些新创大都是无晶圆厂(Fabless)的公司，选择以委外给晶圆厂生产的商业模式，多半使用台积电、汉磊(Episil)或X-Fab做为他们主要选择。未来，一旦市场规模扩大，晶圆代工的商业模式将让这些无晶圆厂新创公司有望快速成长茁壮。当然，新创GaN公司中也有一些IDM厂商，这在国内更常见，英诺赛科就是当中一个代表。

目前市场上的整合型GaN功率元件可概分为两种，一种是封装层级的整合，将GaN晶体管与驱动器整合成单一封装，多半会针对650V以上的应用；另一种是在裸晶层级上整合GaN晶体管与驱动器，也就是达到所谓的单体式整合(Monolithically Integrated)，此类产品供应商以EPC和Navitas为代表，多半针对600V以下的消费性应用。

由于消费性应用如移动装置充电器，需求规模庞大，对GaN业者而言，是滋养茁壮的重要养分，因此为了迎合市场轻巧外观的设计要求，走向高整合设计方案将势在必行。

imec制程技术助攻GaN实现单体整合

有鉴于市场对更高整合度GaN功率元件的发展需求，奈米电子和数位科技研究与创新中心imec，利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台，发布一款与驱动器单体整合且功能完整的GaN半桥IC。

半桥是一种在电力系统中常见的次电路，是由离散元件所组成，特别是用在较高电压范围的应用。要利用GaN-on-Si技术在芯片上实现半桥电路，极具挑战，特别是高电压的设计，这是因为基于GaN-on-Si技术所设计的半桥电路，会产生「后闸效应(Back-gating Effect)」，进而对半桥电路的高侧端开关(High-side Switch)造成负面影响，而切换杂讯也会对控制电路造成干扰，抑制整体效能表现。

imec解决方案是建立在imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台，透过埋入式氧化物(Buried Oxide)和氧化物填充的深沟槽隔离设计，让功率元件、驱动器和控制逻辑能够达到电气隔离。这种隔离机制能减少有害的后闸效应对半桥高侧端开关的负面影响，更能减少切换杂讯对控制电路的干扰。

此外，imec的技术平台也藉由整合电位转换器(Level shifter)(用来驱动高侧开关)、停滞时间控制器(Dead-time Controller)(用来避免重覆闸极输入波型)，以及脉宽调变电路，来实现高整合度的升降压转换器(图1)。

图1 imec利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台，成功开发出与驱动器单体整合且功能完整的GaN半桥IC。

imec业务发展经理Denis Marcon表示，有些人或许会认为，利用SOI或QST晶圆来取代硅晶圆，会造成更昂贵的技术。然而，采用GaN-on-Si技术，许多离散元件必须被个别封装(利用先进封装以提升GaN快速切换性能)，并且在电路板或封装层级，与它们的驱动器及其他元件连结。相反的，利用imec的GaN-IC技术则可实现完整的转换器，并整合了驱动器和类比电路区块，就可利用简单的封装技术来进行封装(因为对频率敏感的元件已在芯片上被连结)，这将节省最终电力系统的成本。

imec GaN电力电子计画总监Stefaan Decoutere表示，藉由减少寄生电感和无形的尺寸减少，高阶电力系统不论是在切换速度、运作频率，或能源效率等效能表现，将拥有显著提升的可能性，可望进一步增强GaN在消费性电源供应器和可再利用能源领域的使用。

责任编辑：sophie

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