GaN进入关键窗口期，5大厂商作出判断

近日，国外《新电子杂志》发表了一篇名为《宽带隙材料——到达临界点》的文章，通过采访瑞萨电子 GaN业务副总裁Primit Parikh、Power Integrations市场营销副总裁Doug Bailey，梳理了他们对于氮化镓功率半导体的最新看法，以下为文章重点内容：

氮化镓优势不断凸显

对于设计工程师而言，电动汽车、可再生能源和电池供电消费产品的发展使电力电子成为中心议题，并导致宽带隙 (WBG) 材料（而不是传统的硅）快速发展，其中最常见的是碳化硅和氮化镓。

ADI公司现场应用工程师Frederik Dostal表示：”GaN相比硅具有诸多优势，它不仅在100V及以上电压的应用中具有高效性能，在100V以下电压时，其功率密度和快速开关能力也能带来更高的功率转换效率。”

瑞萨电子GaN业务副总裁Primit Parikh则透露：“目前，大多数主流功率半导体公司都已涉足GaN领域，有的是通过内部GaN开发或战略收购，有的则是两者兼顾。”

迄今为止，GaN市场主要集中在低功耗消费级快速充电器领域。然而，这种情况正在迅速改变，高功率GaN器件已成为基础设施、工业和电动汽车等关键增长市场的必需品。

Primit Parikh表示：“这是因为更高的电力传输效率、密度和可靠性正在推动半导体创新，以应对电动交通、数据中心、工业和可再生能源系统不断变化的格局，这些应用对体积、效率有着极高的要求。”

就数据中心而言，最新的IT机架集成了超过100个GPU，这需要极高的功率密度。Primit Parikh解释：”如果采用GaN可以实现更快的切换速度，同时降低交叉损耗和反向恢复损耗，并降低硬开关或软开关中的转换损耗。此外，通过新型双向开关可以简化交流/直流转换的拓扑结构，从而大幅节省成本。”

剑桥GaN设备公司技术营销总监Daniel Murphy也认为：”在某些应用中，GaN可能是唯一的解决方案。例如，随着人工智能处理器的激增，数据中心现在对功率的需求呈指数级增，这需要利用GaN功率器件的优势。”

Power Integrations市场营销副总裁Doug Bailey透露：“GaN 已经赢得了30W到 240W 等低功率充电器市场。这是因为它可以实现更高的功率密度，器件体积更小，并且热管理挑战也大大降低。”

随着功率水平从500W上升到10kW，GaN的优势不断凸显，将逐渐渗透到包括电动自行车充电器、白色家电、暖通空调压缩机、太阳能、汽车应用（例如车载充电器等）以及服务器电源等应用领域。

但是，对于考虑转向氮化镓器件的设计工程师而言，还存在一定挑战。

Avnet Silica欧洲、中东和非洲地区工业垂直市场经理Harvey Wilson解释道：“GaN器件并非硅元件的简单替代品，它需要进行设计工作来调整现有电路。因为更高的开关频率为处理高速行为和电磁干扰 (EMI) 带来了新的挑战。”

此外，GaN器件还需进行严格的测试和评估，而且市场仍然担心宽禁带器件（尤其是GaN），因为它还不能与硅器件长期以来的可靠性记录相媲美。随着宽禁带器件的开关频率不断提高，测试也面临着新的挑战，包括对更高带宽测试设备的需求。

Harvey Wilson进一步指出，工程师还必须避免假设GaN和SiC器件的行为与硅相同，并且需要使用动态栅极应力 (DGS) 测试等较新的测试方法来确保可靠性。他表示：“采用这些设备让制造工艺更为复杂，但是规模经济和大规模生产工艺的发展正在推动价格下降。”

目前来看，尽管MOSFET比GaN HEMT更便宜，但MOSFET需要先进的谐振拓扑和散热器，而GaN可以使用更小的磁性元件，使用GaN的系统成本可能更低。未来，随着着规模经济的发挥和产量的提升，GaN的优势只会进一步增强。

Daniel Murphy认为：“GaN已被证明是可靠的，早期围绕设计挑战的问题已基本得到解决，随着GaN技术的成熟，预计其价格将下降到与标准硅相媲美的水平。”

Doug Bailey也表示：“GaN器件的生产成本并不比硅器件高，因为它可以使用与硅相同的生产线，只需进行相对较少的修改。”

目前来看，GaN器件要达到下一个规模水平，真正实现市场规模化，还需要解决以下问题。第一，GaN需要在多个主要细分市场得到应用，而不仅仅是快速充电器，尤其是在高功率下扩展，同时还要保持可靠性、易用性和高良率制造。

Primit Parikh认为：“GaN晶圆的产能、制造规模和成本将是快速普及的关键。我们正在努力将GaN扩展到8英寸晶圆。我们推断 GaN 将在高压和中压应用中取代硅，所以未来12 英寸晶圆将成为充分利用 GaN 潜在成本优势的关键。”

Doug Bailey则表示：“我们的1700V GaN技术表明，越来越多的1至10kW 应用（以前是 MOSFET 和 SiC 的专利）现在将可以通过GaN实现，而且这种应用不会止步于此。”

Daniel Murphy补充道：“由于制造工艺相似，预计基于GaN的系统可靠性很快就会与使用硅 IC 技术生产的系统相当。”

第二，虽然 GaN用于功率开关的品质因数已经优于SiC，但仍需进行重大改进才能接近GaN的理论潜力。

Daniel Murphy透露：“我们致力于GaN 的易用性和可靠性，以某款GaN IC为例，它在同一芯片上集成了开关、接口电路和保护电路，因此可以使用传统的硅驱动器进行驱动，且可靠性高。基于这款芯片的系统使用寿命会更长，系统设计人员可以有更多选择来优化功率密度或使用寿命。”

此外，GaN在转向高功率应用时，封装标准化也至关重要，它需要利用高功率耗散和低寄生效应（漏电感），从而实现高开关频率，这需要产业链上下游共同努力。

本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。