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。