GaN， “鎵”馭全功率 ——高壓大功率應(yīng)用，氮化鎵前景可期

功率半導(dǎo)體領(lǐng)域已有很多年未發(fā)生系統(tǒng)性技術(shù)變革，目前熱門的寬禁帶（WBG）功率器件已經(jīng)開始占據(jù)自己所“擅長”的市場領(lǐng)域——氮化鎵（GaN）功率器件應(yīng)用從快充起步已獲得顯著的商業(yè)化進(jìn)展，EV的逆變器則率先采用了碳化硅（SiC）。

然而，近年來GaN向“全功率”市場的擴(kuò)展，預(yù)示電力電子應(yīng)用市場將不再“風(fēng)平浪靜”，有跡象表明，氮化鎵有望改寫功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的競爭格局。

功率器件市場的結(jié)構(gòu)性重塑

Yole 2023年的統(tǒng)計預(yù)測顯示（圖1），未來五年內(nèi)功率器件市場規(guī)模將從209億美元擴(kuò)大到333億美元，目前仍主導(dǎo)市場的傳統(tǒng)MOSFET和IGBT器件的市場占比同期大幅下降，而SiC和GaN功率器件市場份額有望在2028年即達(dá)到三成。

圖1：SiC和GaN功率器件市場份額將在2028年達(dá)到30% （資料來源：Yole 2023）

電力電子應(yīng)用看好寬禁帶化合物半導(dǎo)體功率器件，是因?yàn)榛贕aN或者SiC的開關(guān)電源損耗小、工作頻率高，在功率密度、可靠性和降低（系統(tǒng)）成本等方面有著明顯優(yōu)勢。這些優(yōu)勢得益于材料的諸多特性，如更寬的帶隙、高臨界場強(qiáng)、更高的電子遷移率?；谶@類材料的功率器件，導(dǎo)通電阻能做到很小，并能夠工作在更高的電壓下——相比之下，傳統(tǒng)硅基器件則達(dá)到了性能極限。

Omdia對功率器件應(yīng)用市場構(gòu)成進(jìn)行的分析表明，高壓大功率應(yīng)用市值占80%以上，包括工業(yè)、汽車、計算與存儲等領(lǐng)域（圖2）。其中，混合/純電動汽車(HEV/EV）很可能是這場競爭的主競技場，這不僅因?yàn)榧冸妱悠嚨摹肮韬俊笔莾?nèi)燃機(jī)車的2.5倍，而且2027年全球電動汽車的銷量將超過燃油車（Omdia 2024）。

圖2：高壓大功率應(yīng)用占功率器件市值80%以上（資料來源：Omdia 2024）

如果我們進(jìn)一步分析，會有一些更有價值的發(fā)現(xiàn)。The Information Network的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，GaN市場增速高于SiC——2021-2025年期間，GaN的復(fù)合年均增長率達(dá)到53.2%，超過碳化硅的42.5%。同時，從Yole 2024 Q1預(yù)測中（圖3）也可明顯看出，GaN復(fù)合增長趨勢明顯強(qiáng)于SiC市場。GaN功率半導(dǎo)體器件市場5年內(nèi)達(dá)到24億美元，而在GaN市場份額變化中，汽車與出行市場（Automotive & Mobility）“從無到有”，增幅最為搶眼。相比之下，SiC市場格局將無大的變動，汽車市場應(yīng)用占主要份額。

圖3：GaN在汽車與出行市場實(shí)現(xiàn) “從無到有”（資料來源：Yole Q1 2024）

不難看出，功率器件市場未來幾年結(jié)構(gòu)性的重塑，將是一場GaN與SiC的PK。GaN對陣SiC，這場拉鋸戰(zhàn)如何發(fā)展，將取決于技術(shù)路線和賽道的選擇能否更精準(zhǔn)鎖定市場的需求，以及技術(shù)的發(fā)展是否能夠與這樣的市場機(jī)遇相契合。

GaN的技術(shù)優(yōu)勢

眾所周知，半導(dǎo)體功率器件在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中充當(dāng)開關(guān)電源——處于“關(guān)斷”狀態(tài)阻斷電流，即使在施加的電壓很高時也是如此；處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時，對電流的流動阻力要非常小。因此，功率半導(dǎo)體材料需要具有高擊穿電場和高電荷遷移率。電力電子領(lǐng)域，GaN和SiC取代硅基電子器件，正是由于它們在這些方面比硅材料性質(zhì)更大的優(yōu)勢。

GaN 和 SiC 都屬于所謂的寬帶隙半導(dǎo)體，帶隙越寬，原子之間的鍵越牢固，擊穿電壓就越高。GaN 的帶隙為3.39 eV，硅的帶隙只有1.12 eV，SiC帶隙則為 3.26 eV。寬禁帶半導(dǎo)體能夠更好地支持高壓應(yīng)用。

材料的電子遷移率越大，相同電場強(qiáng)度下電子的速度越高，每個電子攜帶的電流就越大。硅的電子遷移率為 1500 cm2/ V?s， SiC只有800 cm2/ V?s，而GaN的電子遷移率高達(dá)2200 cm2/ V?s左右，這意味著電子通過GaN要比SiC快得多。

圖4：與硅材料相比，SiC和GaN的材料特性更具優(yōu)勢，能夠使功率器件具有高的擊穿電壓和低的導(dǎo)通電阻（Ron）

憑借如此高的電子遷移率，在實(shí)際應(yīng)中，GaN可以獲得高電流，與 Si 或 SiC 相比，開通或關(guān)斷GaN所需要的電荷更少，也就是說，減少了每個開關(guān)周期所需的能量，有助于提高效率。同時，GaN 的高電子遷移率允許開關(guān)速度達(dá)到大約 50 V/ns，該特性使得基于 GaN晶體管的功率轉(zhuǎn)換器可以在數(shù)百 kHz 的頻率下高效運(yùn)行，而基于硅或 SiC 的功率轉(zhuǎn)換器的頻率約為 100 kHz。

高效率和高頻率使得基于 GaN 器件的功率轉(zhuǎn)換器物理尺寸非常小，且重量輕。高效率意味著可以采用更小的散熱裝置，而在高頻下運(yùn)行則意味著電感器和電容器也可以非常小，大大降低整體的系統(tǒng)成本。

GaN技術(shù)路線的選擇

當(dāng)然，如果你選定了GaN技術(shù)，并想在最終的應(yīng)用中充分發(fā)揮出其技術(shù)優(yōu)勢，選擇合適的技術(shù)路線也很重要。具體來講，也就是增強(qiáng)型（E-mode）和耗盡型（D-mode）這兩條技術(shù)路線的選擇。

GaN晶體管的成功很大程度上歸功于一個關(guān)鍵的自然現(xiàn)象：2DEG溝道。2DEG是在GaN和AlGaN薄層界面處自發(fā)形成極其快速的導(dǎo)電通道。其自發(fā)存在的電子濃度是半導(dǎo)體材料中可達(dá)到的最高之一。除此之外，它還可提供兩倍于最先進(jìn)的硅基或碳化硅晶體管的電子遷移率——高達(dá)2000cm2/V?s。我們可以將二維電子氣 (2DEG) 看作GaN材料中來自大自然饋贈。

圖5：氮化鎵功率晶體管之完善體現(xiàn)— D-Mode AIGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）

得益于GaN材料的本性，在AlGaN/GaN界面處會自發(fā)形成2DEG溝道，而無需外部施加?xùn)艠O電壓。這意味著器件是常開型的，若想要耗盡溝道電子從而關(guān)閉它則需要給柵極加負(fù)偏壓——這就是耗盡型器件。每一個GaN功率器件都源自耗盡型器件。然而，電力電子系統(tǒng)往往需要常閉型器件來實(shí)現(xiàn)故障安全操作。

按照柵極特性差異，GaN功率器件被分為常開的耗盡型（D-mode）和常關(guān)的增強(qiáng)型（E-mode）兩種類型。由于常開的D-mode GaN本身無法直接使用，需要通過增加外圍元器件的方式，將D-mode GaN從常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型。

級聯(lián)型D-mode GaN通過利用低壓Si MOSFET的開關(guān)帶動整體的開關(guān)，從而將常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型，從而以一種純原生、高性能的形式來利用氮化鎵。在Normally-off D-mode技術(shù)中，氮化鎵HEMT的結(jié)構(gòu)不變從而保持它的高性能及可靠性。在自然狀態(tài)下，2DEG溝道可不受束縛地最大化其無與倫比的高遷移率和電荷密度組合。Transphorm的Normally-off D-mode解決方案是將氮化鎵HEMT與低電壓常關(guān)型硅基MOSFET結(jié)合來實(shí)現(xiàn)常閉型操作。該解決方案根據(jù)功率等級、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框架可提供2.5伏至4.0伏的正閾值電壓。

不同于級聯(lián)型 D-mode GaN通過級聯(lián)低壓Si MOSFET來實(shí)現(xiàn)常關(guān)型，E-mode GaN直接對柵極進(jìn)行p型摻雜來修改能帶結(jié)構(gòu)，選擇控制HEMT內(nèi)部的2DEG，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實(shí)現(xiàn)常關(guān)型器件，但氮化鎵的部分天然優(yōu)勢就會受到負(fù)面影響。比如，dV/dt較高時解決方案的柵極對過電壓損壞和偶發(fā)性導(dǎo)通敏感，以及電阻溫度系數(shù)和動態(tài)閾值增加約30%，導(dǎo)致每個開關(guān)周期的動態(tài)導(dǎo)通電阻增加30%。對于低功率適配器，增強(qiáng)型是可以接受的。但是隨著功率水平提高和增強(qiáng)型飽和電流隨溫度降低，這時候要求的是并聯(lián)，最終會降低系統(tǒng)的密度、性能和可靠性而增加其成本，更不用說增強(qiáng)型的制造還比較困難。

圖6：較高的薄層電阻是由于為實(shí)現(xiàn)關(guān)斷溝道而導(dǎo)致較低的溝道電子濃度

在更高功率的應(yīng)用中，客戶均想方設(shè)法降低成本、降低功耗、并提高器件的長期可靠性，以獲得競爭優(yōu)勢，而E-mode類型GaN受到基礎(chǔ)物理因素的限制，性能下降，可靠性上也會有所折中，因此這種類型的GaN器件主要為低功率應(yīng)用。Transphorm近期發(fā)布的技術(shù)白皮書介紹，用DmodeGaN替換一款市售電源設(shè)配器中的增強(qiáng)型 GaN，不僅實(shí)現(xiàn)了更好的效率，而且將機(jī)殼溫度降低了50%。

此外，D-mode GaN常閉平臺非常適合各種標(biāo)準(zhǔn)封裝，例如通孔、表貼、多芯片模塊等，這些封裝本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化鎵平臺本身的性能和可靠性。

值得一提的是，級聯(lián)型D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關(guān)帶動整體的開關(guān)，盡管驅(qū)動電路和Si MOSFET相同，但由于級聯(lián)架構(gòu)的D-mode GaN的開關(guān)頻率和速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si MOSFET，所以要求驅(qū)動IC能夠在很高的dv/dt環(huán)境下正常工作。

抓住市場機(jī)遇，“鎵”馭全功率

目前，在大功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，SiC技術(shù)居于領(lǐng)先地位，一個原因是因?yàn)镾iC 器件通常具有比 GaN 器件更小的芯片尺寸。不過，SiC 的襯底、外延和制造成本高于 GaN，這也為GaN提供了機(jī)會。

當(dāng)然，要使 GaN 能夠適用于SiC目前工作的更高電壓的大功率應(yīng)用，它必須具有額定電壓為 1200V的成本效益型高性能器件。畢竟，在該電壓下已經(jīng)有可用的 SiC 晶體管。

目前，Transphorm已經(jīng)推出了額定電壓為 900 V的GaN晶體管，而且最近，Transphorm還展示了在藍(lán)寶石襯底上制造的1200V GaN 器件，其電氣和熱性能均與 SiC 器件旗鼓相當(dāng)。未來的趨勢很可能有利于 GaN——由于GaN外延和藍(lán)寶石襯底的成本降低，2025 年第一代 1200V GaN 晶體管的價格將低于SiC同類產(chǎn)品。而且，在這些高壓器件中，GaN較高的內(nèi)在電子遷移特性仍會得以保留，這也就意味著其仍具有開關(guān)速度比SiC快的優(yōu)勢仍在，這顯然有助于打造更輕、更小的產(chǎn)品和方案。

GaN技術(shù)不斷地優(yōu)化，及其向高壓大功率應(yīng)用的延伸，顯然會帶來更大的市場空間。

首先，在EV 逆變器應(yīng)用中，GaN更高的開關(guān)速度具有極大的優(yōu)勢。這是因?yàn)镋V逆變器開關(guān)采用所謂的“硬開關(guān)”技術(shù)，器件從導(dǎo)通到關(guān)斷，沒有使用復(fù)雜的方法為開關(guān)操作定時（這被稱為諧振開關(guān)）以盡量減少損耗。在硬開關(guān)式器件中，提高性能的方法就是快速地切換導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，以最大限度地減少器件，在器件保持高電壓和高傳導(dǎo)電流的同時，縮短切換時間，降低損耗。這一應(yīng)用場景，非常有利于發(fā)揮GaN的獨(dú)特優(yōu)勢。

其次，除了逆變器，電動汽車中其他大多功率應(yīng)用也可以從GaN的技術(shù)優(yōu)勢中獲益，例如：車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、輔助逆變器以及傳動系逆變器等等。有研究數(shù)據(jù)表明，電動汽車應(yīng)用中采用SiC，比傳統(tǒng)硅基器件優(yōu)化了30%，GaN“上車”，其高頻、高效、和雙向轉(zhuǎn)換功能等優(yōu)勢，可為汽車應(yīng)用再帶來額外20%的優(yōu)化，把系統(tǒng)做得更小、更輕、更高效，運(yùn)行起來的溫度更低。

太陽能微型逆變器也是GaN高壓大功率應(yīng)用的一個目標(biāo)市場。在分布式電網(wǎng)裝置中，為每個獨(dú)立的太陽能電池板配置一個微型逆變器，然后在為房屋供電或?yàn)殡娋W(wǎng)供電之前再將交流電“組合”起來，已經(jīng)成為了未來的技術(shù)趨勢。GaN器件帶來的小型化和經(jīng)濟(jì)性，恰好能夠滿足這一新的設(shè)計需求。

此外，在數(shù)據(jù)中心等高性能計算領(lǐng)域中，GaN也會找到更大的舞臺。在一個3kVA數(shù)據(jù)中心UPS設(shè)計改造案例中，一家基于GaN的方案勝出，使用該公司GaN器件的80Plus鈦金級不間斷電源，功率密度增加了250%，尺寸縮小2.5倍，同時還降低了冷卻要求，滿足該數(shù)據(jù)中心功率擴(kuò)展目標(biāo)，幫助客戶降低了系統(tǒng)運(yùn)營成本。應(yīng)對全球氣候變暖，市場對能效的法規(guī)要求會不斷提高，在數(shù)據(jù)中心、人工智能（AI）、高算力應(yīng)用領(lǐng)域，GaN有著巨大的發(fā)揮空間。

在手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器和墻插充電器領(lǐng)域，GaN的高開關(guān)速度及其較低的成本，正在成為低功率市場的主導(dǎo)。GaN功率轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)300kHz的開關(guān)頻率和超過92%的效率，功率密度記可高達(dá)30W/in3，是正在被取代的硅基充電器功率密度的兩倍。在這些市場中，DmodeGaN的易設(shè)計性和穩(wěn)健的供應(yīng)鏈也至關(guān)重要。

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，不同技術(shù)的競逐日趨激烈，為目標(biāo)應(yīng)用選擇一款理想的器件需要考慮諸多方面的因素。

第一，效率更高、性能更好無疑是首要條件。無論是Si/IGBT、SiC、還是不同架構(gòu)的GaN技術(shù)，都面臨這些市場應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)——降低成本，將終端做得更小，讓產(chǎn)品更可靠，設(shè)計更容易，并能夠跟上市場未來發(fā)展需求。

第二，降低綜合系統(tǒng)成本，才能獲得市場青睞。選擇功率半導(dǎo)體，不僅需要考慮如何減少外圍電路器件數(shù)量，降低系統(tǒng)冷卻要求，從而將系統(tǒng)做得更小，效率更高；而且，還要考慮器件技術(shù)可制造性、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性、商業(yè)模式的瓶頸等諸多商業(yè)因素帶來的隱形市場成本。

第三，產(chǎn)品設(shè)計靈活性也是一個重要因素。在快充市場， D-mode GaN能夠?yàn)樵O(shè)計人員提供便捷的可設(shè)計性和可驅(qū)動性，使用硅基設(shè)計中的控制和驅(qū)動電路。

值得關(guān)注的是，隨著時間的推移以及技術(shù)的發(fā)展，GaN性能較高、材料和制造成本較低、產(chǎn)率較高等特點(diǎn)將逐漸被更廣泛的市場所認(rèn)知，在“鎵”馭全功率應(yīng)用方面的優(yōu)勢也越發(fā)突出。