GaN器件的案例
智芯研報(bào) | GaN電力電子器件的現(xiàn)在與未來
從2018年開始，GaN技術(shù)開始在快充產(chǎn)品中應(yīng)用，并在隨后的兩年中迅速成為主流，引領(lǐng)了快充市場新風(fēng)向。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前為止,國內(nèi)外至少有60家生產(chǎn)制造GaN快充產(chǎn)品的廠商，可提供的GaN PD快充產(chǎn)品超過100款，無論是從廠家數(shù)量還是產(chǎn)品種類方面相比2019年底都有了翻倍的增長。市面上GaN快充產(chǎn)品大部分功率在30W-100W，能滿足大部分的手機(jī)、平板電腦的充電功率需求。
GaN電力電子器件具有更高的功率密度，采用GaN的充電器體積小（僅為原來的1/4）、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性強(qiáng)，較普通充電器有顯著優(yōu)勢。根據(jù)內(nèi)部電路架構(gòu)的不同，約使用1-2顆的GaN電力電子器件，平均轉(zhuǎn)換效率約能達(dá)到90%左右。
Navitas GaN 單管應(yīng)用舉例
GaN電力電子器件目前雖然被大眾熟知的基本只有快充領(lǐng)域，但實(shí)際上其早就在工業(yè)電源領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，但之前由于成本偏高，在消費(fèi)領(lǐng)域沒有太多推廣。隨著GaN-on-Si電力電子器件成本的下降，下游應(yīng)用廠家及配套企業(yè)開始積極布局GaN快充市場。但隨著近兩年來國內(nèi)外產(chǎn)線產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，制造技術(shù)的逐漸成熟，GaN電力電子器件的成本已經(jīng)達(dá)到了廠商采購的甜蜜點(diǎn)。從IDM廠商給出的生產(chǎn)成本來看，目前GaN電力電子器件成本已經(jīng)接近Si。
據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，全球智能設(shè)備年均新增出貨量超 20 億臺，隨著GaN在該市場的滲透提速，未來幾年消費(fèi)類電源快充市場將成為GaN電力電子最大的推動力。
不僅僅是手機(jī)快充，GaN未來幾乎可以應(yīng)用于所有的消費(fèi)類電源模塊市場，如白家電、3c產(chǎn)品，可以想象到未來市場有多么巨大。
展開 關(guān)注 | GaN：高頻性能優(yōu)越，成為 5G 器件關(guān)鍵材料
半導(dǎo)體材料研究熱點(diǎn)，GaN 射頻器件應(yīng)用前景明朗
氮化鎵（GaN）是由氮和鎵組成的一種半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠浣麕挾却笥?2.2eV，故被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。GaN 材料作為微波功率晶體管的優(yōu)良材料與藍(lán)色光發(fā)光器件中的一種具有重要應(yīng)用價值的半導(dǎo)體，是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅相比，由于 GaN 禁帶寬度是硅的 3-4 倍、熱導(dǎo)率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；其擊穿場強(qiáng)比硅高 10 倍，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；飽和電子遷移速度是硅的 2-4 倍，因此允許器件更高速地工作。GaN 器件在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。
GaN 外延片可分為同質(zhì)外延片與異質(zhì)外延片。在GaN 單晶襯底上生長的GaN為同質(zhì)外延片，以GaN 單晶材料作為襯底可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低錯位密度，提高器件工作壽命。但由于GaN 材料硬度高，熔點(diǎn)高，襯底制作難度高，位錯缺陷密度較高導(dǎo)致良率低，技術(shù)進(jìn)步緩慢。
因此GaN 晶圓的成本仍然居高不下，GaN 厚膜襯底的應(yīng)用受到限制。除了同質(zhì)外延片外，GaN 還可以生長在其他襯底材料上，稱之為異質(zhì)外延片。目前常用的襯底材料包括藍(lán)寶石、SiC、硅與金剛石。其中藍(lán)寶石GaN 只能用來做LED；硅基GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射頻器件；碳化硅基GaN（GaN on SiC）可以制造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。
展開 超低成本GaN基器件面世
6月3日，北京大學(xué)物理學(xué)院官網(wǎng)宣布，他們用硅晶圓制作了GaN晶體，并制備了GaN基功率器件，“這是國際上首次”，不僅物理性能優(yōu)異，而且“極具成本優(yōu)勢”。
以GaN基PND器件為例，其導(dǎo)出臨界電場強(qiáng)度高達(dá)3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質(zhì)外延GaN基器件耐壓的世界紀(jì)錄。
同時，由于采用硅晶圓，它可以用“極低廉的襯底成本”，來制作氮化鎵器件，從而能夠以更低的成本去搶占快充、服務(wù)器，甚至汽車等市場，市場前景廣闊。
這項(xiàng)技術(shù)得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持，相關(guān)成果最近發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》，并被選為編輯精選。
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硅晶圓生長GaN晶體
實(shí)現(xiàn)3.3 MV/cm，刷新記錄
據(jù)介紹，北京大學(xué)物理學(xué)院胡曉東教授與美國UCLA謝亞宏教授、日本名古屋大學(xué)天野浩教授（諾貝爾物理學(xué)獎得主）合作，開發(fā)了一種獨(dú)特的外延生長技術(shù)，制備了GaN基SBD和GaN基PND。
經(jīng)測試，這些GaN基器件的物理性能非常優(yōu)異。
在PND上，理想因子n下探至1.8，其室溫?fù)舸╇妷哼_(dá)到490 V，而且在單邊結(jié)模型下（非穿通），導(dǎo)出臨界電場強(qiáng)度高達(dá)3.3 MV/cm，與理論極限值一致，刷新了異質(zhì)外延GaN基器件耐壓的世界紀(jì)錄，高于其他報(bào)道的同質(zhì)外延GaN基器件的耐壓值。
圖1：GaN基PND的I-V特性。
在SBD上，理想因子n下探至罕見的1.0，并在7個數(shù)量級的電流范圍內(nèi)保持在1.05以下；其開啟電壓低至0.59 V，電流開關(guān)比高達(dá)1010，軟擊穿電壓達(dá)175 V@0.05 A/cm2。
圖2：GaN基SBD的I-V特性。
展開 智芯研報(bào) | 氮化鎵（GaN）射頻器件市場：2026年預(yù)計(jì)達(dá)到24億美元以上
▲不同應(yīng)用領(lǐng)域主流射頻器件技術(shù)路線演進(jìn)
全球 GaN射頻器件
產(chǎn)業(yè)鏈競爭格局
目前，射頻器件的主要市場如下：手機(jī)和通訊模塊市場，約占80%；WIFI路由器市場，約占9%；通訊基站市場，約占9%；NB-IoT市場，約占2%。
▌境外 GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)公司及產(chǎn)品進(jìn)展
GaN 微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過大，因此這個領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強(qiáng)的科研實(shí)力和市場運(yùn)作能力。GaN 微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。
Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產(chǎn)品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達(dá)到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz，由 Qorvo 生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是 GaN/SiC GaN 路線。
此外，部分企業(yè)提供 GaN 射頻模組產(chǎn)品，目前有 4家企業(yè)對外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達(dá)到 31GHz。Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。
Qorvo 射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。
展開 
SiC和GaN功率器件為何能夠在電子界唱主角？原因在此
雖然大多數(shù)晶體管的驅(qū)動通常使用對稱電源軌（如±5V），但SiC器件需要較小的負(fù)電壓以確保完全關(guān)斷，因此需要不對稱的電源軌（如-1V至-20V）。
此外，雖然SiC具有出色的散熱特性，與硅相比導(dǎo)熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設(shè)計(jì)的封裝，例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法與SiC配合良好，但僅適用于低頻電路（數(shù)十千赫）。一旦應(yīng)用于高頻電路，寄生電容和電感就會相應(yīng)增大，從而阻礙基于SiC器件充分發(fā)揮全部潛力。
同樣，要充分利用GaN器件的優(yōu)勢，封裝就必須具有極低的寄生電感和出色的熱性能。嵌入式芯片封裝（類似于多層印刷電路板）等全新封裝方法，以低成本實(shí)現(xiàn)了所需的性能，同時還消除了引線鍵合以避免器件自身的可靠性問題。
柵極驅(qū)動器這一關(guān)鍵元件主要用作控制器與功率器件之間的接口。對于采用新器件的電子設(shè)計(jì)人員而言，柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)始終是個難題，因此了解SiC和GaN功率器件的驅(qū)動方式就顯得尤為重要。具體要求是：
供電電壓高，通過低傳導(dǎo)損耗實(shí)現(xiàn)高能效
驅(qū)動強(qiáng)度高，實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗
快速短路保護(hù)
傳播延遲和變化較小，實(shí)現(xiàn)高能效和快速系統(tǒng)控制
dv/dt抗擾度高
部分早期的GaN器件需要特殊的驅(qū)動器來防止柵極過壓。目前市面上推出具有大Vg容差的新一代E-HEMT，只需改變柵極電壓，即可由許多標(biāo)準(zhǔn)MOSFET驅(qū)動器來驅(qū)動。GaN FET是橫向器件，因此所需的最佳驅(qū)動電壓相對較低。總而言之，GaN器件的柵極驅(qū)動要求與SiMOSFET和IGBT類似。
展開 詳述GaN 器件如何設(shè)計(jì)出性價比高的5G產(chǎn)品
由于數(shù)字處理和器件級的改進(jìn)，分析人士預(yù)計(jì)GaN線性化將在未來三到五年內(nèi)得到顯著改善。當(dāng)未來幾代 GaN 具有市場領(lǐng)先的線性度時，請不要感到驚訝。
散熱感知能力
GaN 功率放大器可在硅基技術(shù)無法達(dá)到的溫度下工作，從而簡化了系統(tǒng)內(nèi)的散熱和冷卻要求。然而，如果嵌入式設(shè)計(jì)人員不夠仔細(xì)，尤其是如果使用更少的 GaN PA 縮小系統(tǒng)的外形尺寸，那么更高的熱密度可能會帶來一定挑戰(zhàn)。小型系統(tǒng)會給器件帶來更大的散熱壓力。
工程團(tuán)隊(duì)往往會關(guān)注結(jié)溫。GaN PA 可支持很高的結(jié)溫，因而系統(tǒng)的其他部分則會成為阻礙因素。焊點(diǎn)就是一個經(jīng)常被忽略的例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮這一點(diǎn)。由于 GaN PA 可以在更高溫度下運(yùn)行，工程師最好重新評估內(nèi)部可靠性要求，并在設(shè)計(jì)過程中充分利用這一點(diǎn)。
看完以上介紹，是不是覺得GaN簡直就是應(yīng)5G產(chǎn)品需要而生的，想了解更詳細(xì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容請點(diǎn)擊閱讀原文。
展開 GaN氮化鎵正在進(jìn)入汽車領(lǐng)域
圖4 整車?yán)锩?em>GaN器件的應(yīng)用
以O(shè)BC來說，使用GaN的器件，可以實(shí)現(xiàn)尺寸上減少到原來的五分之一，充電效率可以增加到98%，這也可以減小散熱的結(jié)構(gòu)。
圖5 GaN器件對OBC帶來的效益
在DCDC方面，可以從水冷設(shè)計(jì)改換為風(fēng)冷，由于功率密度從1kW/L升到2kW/L，這個效能在多合一里面起到的作用非常直接。
圖6 GaN器件對于DCDC帶來的效益
在這個方面，Denso做了不少的嘗試，可以把整體的設(shè)計(jì)體積降低80%，基本是顛覆了原有的設(shè)計(jì)方法。
圖7 Denso設(shè)計(jì)的高功率密度的GaN DC-DC
從400V升級到800V，目前SiC的復(fù)合增長差不多見頂了，而基于原有的400V系統(tǒng)的革新，可能是留給GaN器件的。來自IHS公司的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)在2021～2027年間，氮化鎵功率器件市場復(fù)合增速高達(dá)30％，到2027年產(chǎn)值預(yù)計(jì)超過10億美元，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆? 從功率器件的對比來看，與Si IGBT相比，SiC能讓系統(tǒng)提升到更高的系統(tǒng)電壓、更高的工作溫度和更快的開關(guān)速度，因此在逆變器的使用方面帶來極佳的效能。硅基氮化鎵GaN開關(guān)為從幾百W到25kW的范圍內(nèi)，應(yīng)用的落地是很快的，除了上面所說的OBC、DCDC，PTC和電空調(diào)控制也有空間可以來做。
小結(jié)：前段時間綠芯頻道做過GaN器件的使用。接下來如果汽車?yán)锩娴?em>GaN器件進(jìn)入一個爆發(fā)期，我們將多做一些探討，包括前瞻方面的拆解，這對于我們關(guān)注將來的發(fā)展非常有意義。
展開 GaN快充達(dá)到甜蜜點(diǎn)，中低壓市場迎來更多殺手級應(yīng)用
GaN仍需克服的挑戰(zhàn)
GaN在性能、效率、能耗、尺寸等多方面較市場主流的硅功率器件均有數(shù)量級的提升，但制造GaN器件所涉及的每一道工序相較硅器件要求都更高，以獲得最佳的器件性能和可靠性。實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)、高功率密度和高擊穿電壓的GaN器件，需要高質(zhì)量的外延，Si襯底上GaN外延最大的挑戰(zhàn)來自于熱失配以及晶格失配引入的殘余應(yīng)力，應(yīng)力會導(dǎo)致外延片發(fā)生龜裂、翹曲等一系列問題，因此需要引入AlN或AlGaN層來解決應(yīng)力調(diào)控等問題；另一方面，Si 和GaN 之間的晶格失配也會在外延層中引入大量的缺陷，降低了材料的晶體質(zhì)量以及器件的性能，因此需要增加Si 襯底GaN外延層的厚度來降低缺陷。
集微咨詢（JW insights）認(rèn)為，在制造方面，GaN仍面臨以下關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
首先是原始創(chuàng)新能力較低
。國內(nèi)開展GaN等第三代半導(dǎo)體器件和材料的研究比較晚，與國外差距較大，且GaN是涉及重要國防軍工產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，國外對我國實(shí)施相關(guān)技術(shù)封鎖，因此當(dāng)前我國在該領(lǐng)域核心材料、器件等方面的原始創(chuàng)新能力仍然薄弱。
展開 這個GaN技術(shù)牛！8英寸、2DEG提升20%
最近，
空氣水集團(tuán)（AIR WATER）
官網(wǎng)宣布，其創(chuàng)新的
GaN技術(shù)
獲得了2021年度“半導(dǎo)體電子材料類大獎”。
據(jù)介紹，該公司是全球首家量產(chǎn)GaN-on-SiC-on-Si層疊結(jié)構(gòu)器件的企業(yè)。即使采用廉價的硅襯底，該結(jié)構(gòu)的2DEG依舊可以達(dá)到2110 cm2/V-s ，相比硅基GaN提升了20%，很好地解決SiC基GaN成本高、硅基GaN性能差等問題，大幅降低GaN器件成本，從而有望加速5G通信的普及。
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成本太高、性能太差
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)多多
眾所周知，GaN器件具備高功率密度和高電子飽和速度等優(yōu)點(diǎn)，因此在射頻、微波和毫米波應(yīng)用領(lǐng)域非常有競爭力。但是GaN器件要打入這些領(lǐng)域還存在多重挑戰(zhàn)。
首先，碳化硅和氮化鎵襯底生產(chǎn)成本太高，盡管SiC襯底GaN高頻晶體管已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，但僅限于高端基站使用，很難進(jìn)行廣泛商業(yè)化。
其次，雖然硅襯底GaN器件具有潛力，6英寸硅襯底GaN高頻晶體管的開發(fā)和商業(yè)化也取得了 一定的進(jìn)展。但由于存在高熱失配(33%) 和晶格失配(17%) ，因此很難在硅襯底上生長高質(zhì)量、無裂紋的GaN外延層，導(dǎo)致晶體管在工作過程中一旦發(fā)熱，絕緣性能會變差，能量損失會增加。
還有，硅基GaN器件還存在硅襯底電阻率低的問題，這會帶來高寄生電容，從而阻礙器件的高頻性能。
層疊GaN結(jié)構(gòu)
提高質(zhì)量、減少泄漏
為此，
2004
年
空氣水集團(tuán)開始創(chuàng)建一種
層疊GaN結(jié)構(gòu)技術(shù)。
展開 從原理到實(shí)例：GaN為何值得期待？
這也是GaN材料最明顯優(yōu)勢所在。
可以看到，表格中GaN的電子遷移率并不高，為什么稱之為高電子遷移率晶體管呢？
原因在于GaN&AlGaN因?yàn)椴牧咸匦栽诮缑娓袘?yīng)形成的二維電子氣
（2DEG）
,
2DEG在2-4nm薄薄的一層中存在且被約束在很小的范圍，這種限域性使得電子遷移率增加
到1500~2000cm2/
（V·s）
目前技術(shù)已經(jīng)使電子遷移率達(dá)到2200 cm2/
（V·s）
。
4、良好的耐溫特性
：可以看到，GaN和Si的熱導(dǎo)率基本差異不大，但是GaN可以比Si能擁有更高的結(jié)溫。因此，同時良好的熱導(dǎo)率加上更高的熱耐受力共同提升了器件的使用壽命和可靠性。
GaN器件優(yōu)越的性能也其器件結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)系
。目前，產(chǎn)業(yè)化的GaN器件在走的兩種路線是P-GaN方式的增強(qiáng)型器件和共源共柵兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)市場上聲音不同，大家仁者見仁。
圖1 主流GaN的兩種結(jié)構(gòu)
由于GaN器件對寄生參數(shù)極其敏感，因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路，GaN的驅(qū)動要求更為嚴(yán)苛，因此對其驅(qū)動電路的研究很有意義。在實(shí)際的高壓功率GaN器件應(yīng)用過程中，我們用GaN器件和當(dāng)前主流的SJ MOSFET在開關(guān)特性和動態(tài)特性上做了一個對比，更詳細(xì)的了解其差異所在。
表二 GaN 器件DC參數(shù)
從上圖GaN晶體管的DC參數(shù)可以看到，其在直流參數(shù)上，沒有反向二極管
（0 Reverse Recovery）
，主要原因在于
GaN晶體管沒有SJ MOSFET的寄生PN結(jié)
。
展開 GaN功率半導(dǎo)體廠商梳理
（7）日本松下
2013年3月，開始樣品供貨耐壓600V的GaN功率晶體管，此后不斷在功率電子及功率器件相關(guān)展會上進(jìn)行展示。
2016年11月，終于開始量產(chǎn)耐壓600V的Si基GaN功率晶體管。
2016年12月，松下開發(fā)出了常閉型工作GaN功率晶體管，耐壓為1.7kV，導(dǎo)通電阻僅為1.0mΩcm。同月，松下試制出了使用GaN基GaN功率晶體管，與松下以往Si基板產(chǎn)品相比，將導(dǎo)通電阻（Ron）降至2/3，將輸出電荷（Qoss）減至約一半。
（8）日本Sanken
1999年12月成立，IDM企業(yè)，原本做硅器件，現(xiàn)轉(zhuǎn)型做GaN、SiC第三代半導(dǎo)體器件。GaN功率器件以600V為主，處于研發(fā)階段。
（9）德國英飛凌
2014年9月，英飛凌以30億美元收購美國國際整流（IR）公司，通過此次并購，英飛凌將取得IR的Si基板GaN功率半導(dǎo)體制造技術(shù)。IR于2010年推出了第一批商用化的GaN基iP2010和iP2011，用于多相和POL的DC-DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和服務(wù)器等。2013年5月，IR開始Si上GaN器件的商業(yè)化。
2015年3月，英飛凌和松下達(dá)成協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)采用松下電器的常閉式（增強(qiáng)型）Si基板GaN晶體管結(jié)構(gòu)，與英飛凌的表貼（SMD）封裝的GaN器件，推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飛凌授予了使用其常閉型GaN晶體管結(jié)構(gòu)的許可。按照協(xié)議，兩家公司均可生產(chǎn)高性能GaN器件。
2018年6月，英飛凌宣布將于2018年底開始量產(chǎn)CoolGaN 400V和600V增強(qiáng)型HEMT。
展開 
英特爾GaN這么強(qiáng)？12英寸晶圓、3D器件面世
最近，
英特爾
在官網(wǎng)表示，他們將展示
首款氮化鎵 (GaN) 穩(wěn)壓器，
其優(yōu)值是硅器件的
10倍
，峰值效率超過
94%
。
這款穩(wěn)壓器最獨(dú)特之處在于，采用了5項(xiàng)技術(shù)，將GaN功率和GaN射頻晶體管，與硅PMOS的整合成一個片上系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)高頻操作，又可以實(shí)現(xiàn)高功率密度。而且該器件是基于12英寸硅晶圓，這在業(yè)界很少見，成本也非常有優(yōu)勢。
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12英寸、3D堆疊
同時實(shí)現(xiàn)高頻、高功率
6月13-19日，英特爾將在“VLSI 技術(shù)和電路研討會”展示4項(xiàng)研究成果，其中將公布首款氮化鎵穩(wěn)壓器的詳細(xì)信息。
據(jù)介紹，這款穩(wěn)壓器采用了封裝集成的低壓GaN NMOS功率晶體管，其優(yōu)值（FoM）比硅器件提高了5-10倍，搭配40nH電感器，可實(shí)現(xiàn)94.2%的峰值效率。
談及開發(fā)該器件的初衷時，英特爾表示，他們希望開發(fā)一種器件，能夠解決功率傳輸和射頻前端難題，同時還要降低了器件成本。
這是因?yàn)樵?G通信等未來需求中，傳統(tǒng)的硅器件在高頻、高功率射頻功放方面性能不足，而GaAs HBT、GaAs HEMT和GaN HEMT又不適合用來制備高效功率電子器件，因?yàn)楹谋M型GaAs HEMT和GaN HEMT是常開型器件，GaAs HBT是電流驅(qū)動，而不是場驅(qū)動。而混合使用這些器件，占用的PCB空間會比較大。
根據(jù)英特爾發(fā)布的論文，2020年5月他們首次在12英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了GaN和硅基CMOS的三維單片集成，而這次將要展示的穩(wěn)壓器是該技術(shù)的首次成果轉(zhuǎn)化，因此非常值得期待。
展開 曾經(jīng)的LED領(lǐng)頭羊Cree剝離照明業(yè)務(wù)，對我國發(fā)展化合物半導(dǎo)體有何啟示？
圖1 2016-2019財(cái)年Cree公司營業(yè)收入（單位：百萬美元）
數(shù)據(jù)來源：公司財(cái)報(bào)，賽迪智庫整理和預(yù)測
（三）新興應(yīng)用市場驅(qū)動化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成長
除了具有出色的發(fā)光性能，化合物半導(dǎo)體相對Si器件還具有開關(guān)速度快、耐電壓高、散熱好等特點(diǎn)，在射頻和功率器件領(lǐng)域擁有更優(yōu)異的性能。
在新能源汽車中，使用SiC功率器件可以使充電裝置體積縮小80%、重量減輕60%、能量損耗降低25%。特斯拉的Model 3車型中已采用SiC MOSFET作為逆變器的開關(guān)器件，替代IGBT器件。在移動通信基站中，使用GaN射頻器件可以滿足更高通信頻段下的通信效率，使每座基站可覆蓋的用戶提升2倍，單用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率提升10倍。華為公司在4G通信基站中已開始批量使用GaN射頻器件，替代LDMOS器件。此外在光伏、風(fēng)能、家電等應(yīng)用市場，SiC和GaN器件也有替代市場空間。
2018年，全球SiC功率器件市場規(guī)模約為4.5億美元，全球GaN射頻器件市場規(guī)模約為5億美元，5年后的市場規(guī)模有望分別達(dá)到20億美元和10億美元。
（四）Cree計(jì)劃專注發(fā)展化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)
Cree公司成立于1987年，早期的技術(shù)來源自美國北卡州立大學(xué)。Cree于1991年發(fā)布了第一片商用的SiC襯底材料，于1998年推出了首個工業(yè)用的GaN-on-SiC射頻器件。Cree于2002年發(fā)布全球首個商用的SiC功率器件，于2011年發(fā)布全球首個SiC MOSFET功率器件。2000年，Cree收購GaN器件企業(yè)Nitres，2004年收購ATMI公司的GaN襯底和外延業(yè)務(wù)部門，2006年收購SiC襯底企業(yè)Intrinsic Semiconductor。
展開 從原理到實(shí)例：GaN為何值得期待？
3、高電子飽和漂移速率：
在半導(dǎo)體器件工作過程中，多數(shù)是利用電子作為載流子實(shí)現(xiàn)電流的傳輸。高電子飽和漂移速率可以保證半導(dǎo)體器件工作在高電場材料仍然能保持高的遷移率，進(jìn)而有大的電流密度，這是器件獲得大的功率輸出密度的關(guān)鍵所在。這也是GaN材料最明顯優(yōu)勢所在。
可以看到，表格中GaN的電子遷移率并不高，為什么稱之為高電子遷移率晶體管呢？
原因在于GaN&AlGaN因?yàn)椴牧咸匦栽诮缑娓袘?yīng)形成的二維電子氣（2DEG）, 2DEG在2-4nm薄薄的一層中存在且被約束在很小的范圍，這種限域性使得電子遷移率增加到1500~2000cm2/（V·s）目前技術(shù)已經(jīng)使電子遷移率達(dá)到2200 cm2/（V·s）
。
4、良好的耐溫特性：
可以看到，GaN和Si的熱導(dǎo)率基本差異不大，但是GaN可以比Si能擁有更高的結(jié)溫。因此，同時良好的熱導(dǎo)率加上更高的熱耐受力共同提升了器件的使用壽命和可靠性。
GaN器件優(yōu)越的性能也其器件結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)系
。目前，產(chǎn)業(yè)化的GaN器件在走的兩種路線是P-GaN方式的增強(qiáng)型器件和共源共柵兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)市場上聲音不同，大家仁者見仁。
圖1 主流GaN的兩種結(jié)構(gòu)
由于GaN器件對寄生參數(shù)極其敏感，因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路，GaN的驅(qū)動要求更為嚴(yán)苛，因此對其驅(qū)動電路的研究很有意義。
展開 GaN增長有多快？這家企業(yè)“成績單”亮了
6月24日，GaN企業(yè)Transphorm公布了最新財(cái)報(bào)——1-3月其營收達(dá)到1553萬元，同比增長118%，整個財(cái)年的營收達(dá)8217萬元，同比增長1.6%。
Transphorm成立于2007年，總部位于美國加州，在日本戈萊塔和會津設(shè)有制造工廠。5月18日，Transphorm宣布，公司股票可正式在OTCQX上交易（.點(diǎn)這里.）
據(jù)介紹，得益于GaN器件被功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用廣泛采用，2020年10-12月，Transphorm公司GaN器件出貨量環(huán)比翻了一番，今年1-3月，銷量再次翻番，Transphorm交付超過100萬顆GaN器件。
根據(jù)財(cái)報(bào)，今年1-3月，Transphorm產(chǎn)品銷售“創(chuàng)紀(jì)錄”，營收達(dá)到240萬美元（約1553萬人民幣），營收環(huán)比增長20%——上一季度營收為200萬美元（約1294萬人民幣）；同比增長118%——去年1-3月營收為110萬美元（約712萬人民幣）。
Transphorm總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人Primit Parikh表示，不僅1-3月銷售創(chuàng)紀(jì)錄，最近他們不斷獲得新設(shè)計(jì)需求，感受到客戶的需求不斷增長，為此，他們將專注提高出貨量和未來的產(chǎn)能，他們設(shè)下的目標(biāo)是——直至2021年底，每月向適配器客戶出貨超過100萬顆GaN器件。
不過，受疫情影響，Transphorm公司2021年財(cái)年（2020年4月-2021年3月）的營收為1270萬美元（約8217萬人民幣），而去年同期營收為1250萬美元（約8087萬人民幣），同比僅增長1.6%。
與此同時，Transphorm公司2021財(cái)年的GAAP凈虧損為2030萬美元（約1.31億人民幣），而去年同期為1310萬美元（約8476萬人民幣），同比約增長55%。
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