GaN功率器件的案例
GaN功率半導體廠商梳理
2014年，成為全球最早實現(xiàn)氮化鎵晶體管器件規(guī)模化量產(chǎn)的公司之一，極大的降低了GaN晶體管生產(chǎn)成本，將GaN在電源轉(zhuǎn)換和控制領(lǐng)域的性能優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為商業(yè)現(xiàn)實。
2015年，完成了C輪2000萬美元融資，投資人包括加拿大著名的投資機構(gòu)BDC和來自中國的青云創(chuàng)投。
2018年7月，推出兩款無線功率放大器，100W功率放大器[GSWP100W-EVBPA]適用于筆記本電腦、娛樂級無人機、家用輔助機器人、電動工具和多款智能手機的快速充電等消費類市場。300W功率放大器[GSWP300W-EVBPA]面向工業(yè)和運輸市場，適用于交付無人機、倉儲機器人、醫(yī)療設(shè)備、工廠自動化、電動自行車和滑板車等應用。
（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功率半導體制造技術(shù)。
展開 SiC和GaN功率器件為何能夠在電子界唱主角？原因在此
使用SiC和GaN器件
除了上述的精心布局外，SiC元器件的另一個潛在問題在于驅(qū)動要求與IGBT器件截然不同。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，與硅相比導熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設(shè)計的封裝，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）。一旦應用于高頻電路，寄生電容和電感就會相應增大，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)計人員而言，柵極驅(qū)動設(shè)計始終是個難題，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，通過低傳導損耗實現(xiàn)高能效
驅(qū)動強度高，實現(xiàn)低開關(guān)損耗
快速短路保護
傳播延遲和變化較小，實現(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，即可由許多標準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。
展開 GaN快充達到甜蜜點，中低壓市場迎來更多殺手級應用
- 國產(chǎn)GaN廠商可以以消費電子應用為突破點，積累技術(shù)和市場經(jīng)驗后再向門檻更高的工業(yè)、汽車應用進軍。
10月20日，納微半導體在美國納斯達克上市，成為全球首家氮化鎵（GaN）功率芯片上市公司，總市值超過10億美元。隨著手機快充大規(guī)模采用，GaN高頻高效的優(yōu)勢充分展現(xiàn)，受益于這一輪的東風，TrendForce預計納微將以29%的出貨量市占率拿下今年全球GaN功率市場第一名。
在《集微咨詢：千呼萬喚始出來的蘋果GaN快充，拉開下一個GaN爆點的序幕》中集微咨詢（JW insights）分析指出，
隨著中低壓GaN技術(shù)不斷成熟，競爭力提升，這將大大加速GaN生態(tài)的發(fā)展和成熟，成為GaN大規(guī)模商用的真正爆點
。如果按照工作電壓來分類，全球功率器件約68%應用在0~900V的區(qū)間。如果以2021年442億美元的功率器件市場來看，全球GaN功率器件的潛在市場規(guī)模約300億美元。
展開 氮化鎵“上車”，能行嗎？
盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應用場景，但是如今依然面臨著挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，在新能源汽車領(lǐng)域，GaN面臨最大的挑戰(zhàn)在于，由于車規(guī)級認證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強的競爭力，否則難以進行大規(guī)模應用和普及。此外，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，因此法國Yole公司預估，GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進行部署。
展開 
智芯研報 | 高效能、小體積加速GaN消費電子類應用
GaN材料的應用使器件小型化、輕量化，降低了電力電子裝置的體積、重量以及制作和生產(chǎn)的成本，能夠更好的控制成本，大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)量產(chǎn)。
相較于硅器件，GaN晶體管更具效率
GaN是直接能隙半導體，帶隙能量為3.4Ev，是硅的幾倍。更寬的帶隙使得GaN更適用于光電子器件。另外，GaN半導體具有1000倍于硅的電子遷移率，且更耐高溫，因此更能在高頻、高溫和高功率的環(huán)境下工作。
也就是說，與硅相比，GaN具有更節(jié)能、更快、更好的恢復特性等突出優(yōu)勢，能夠同時實現(xiàn)高頻率和高效率。
總的來說，GaN材料擁有很大帶隙，擊穿強高達Si的10倍，可大幅降低導通電阻，并可可在高溫下工作，非常適合應用在小型快充充電電源上。
GaN充電器不僅具備了低發(fā)熱小體積的突出優(yōu)勢，更在充電功率轉(zhuǎn)換上更具優(yōu)勢。
▼GaN 和SiC 的性能差異
在功率器件方面，GaN器件適用于多數(shù)功率器件市場，市場空間巨大
GaN功率器件包括SBD、常關(guān)型FET、級聯(lián)FET等產(chǎn)品，主要應用于無線充電件、電源開關(guān)、逆變器、交流器等領(lǐng)域。
就性能來講，GaN材料更適用于高頻率應用場景，SiC則在高壓高功率場景表現(xiàn)更佳。隨著技術(shù)水平的進步與成本控制，GaN材料將在中低功率取代硅基功率器件，在300V~600V電壓間發(fā)揮優(yōu)勢作用。
根據(jù)Yole估計，在0~900V的低壓市場內(nèi)，GaN都有較大的應用潛力。按照整體市場154億美元來看，占據(jù)68%的該部分低壓市場都是GaN的潛在市場，約有105億美元。
作為功率器件，GaN在電源設(shè)備上先行一步，在其它電子器件市場也有望加速滲透
體積、效率及成本上的優(yōu)勢是GaN功率器件在消費電子產(chǎn)品市場上不斷突破的重要因素。
展開 GaN滲透率僅1%？這家企業(yè)二廠年底預產(chǎn)，產(chǎn)能將提升10倍
? 2017國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性先進電子材料重點專項
課題名稱：GaN基新型電力電子器件關(guān)鍵技術(shù) 課題GaN基功率器件雪崩擊穿效應與新型耐壓結(jié)構(gòu)
立項時間：2017年
GaN基器件耐壓水平實現(xiàn)突破，達到國際先進水平，闡明GaN基器件的穩(wěn)定性問題，找到提高器件穩(wěn)定性方法；嘗試GaN基器件在電源中的應用，為推廣實用化打下基礎(chǔ)。
? 2016江蘇省重點研發(fā)計劃
課題名稱：高性能增強型Si基GaN功率開關(guān)器件共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)
立項時間：2016年
結(jié)合國家在節(jié)能減排和實現(xiàn)能源高效利用等方面的發(fā)展需求，以實現(xiàn)高性能增強型Si基GaN功率開關(guān)器件為目標，開展與之相關(guān)的共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作，實現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。
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展開 英特爾GaN這么強？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)壓器最獨特之處在于，采用了5項技術(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)，既可以實現(xiàn)高頻操作，又可以實現(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項研究成果，其中將公布首款氮化鎵穩(wěn)壓器的詳細信息。
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。
這是因為在5G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，因為耗盡型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 智芯研報 | 氮化鎵（GaN）射頻器件市場：2026年預計達到24億美元以上
由于Si半導體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此Si半導體功率器件的工作頻率只能在S波段以下工作。GaAs器件具有比其它器件好很多的載流子遷移率，截止頻率很高，但受擊穿場強的限制，工作電壓低，導致器件輸出功率小，GaNHEMT具有寬的禁帶能量、高擊穿場強和高飽和電子漂移速度的特性，補償了這一不足而獲得好的高頻性能，GaNHEMT可以工作在更高頻率，同時能有高輸出功率。另外，GaNHEMT的固有特性使得其輸入輸出阻抗較高，電路的寬帶阻抗匹配更加容易實現(xiàn)，使得GaNHEMT適合寬帶應用。
▲不同材料體系射頻器件功率-頻率工作區(qū)間
▌抗輻照能力強，環(huán)境適應性強
GaN是極穩(wěn)定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學穩(wěn)定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力，同時GaN又是高熔點材料，熱傳導率高，GaN功率器件通常采用熱傳導率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN功率器件具有較高的結(jié)溫，能在高溫環(huán)境下工作。
展開 GaN功率芯片走向成熟，納微GaNSense開啟智能集成時代
03
GaN功率芯片在向集成化發(fā)展
GaN功率芯片主要以2個流派在發(fā)展，一個是eMode常開型的，納微代表的是另一個分支——eMode常關(guān)型。相比傳統(tǒng)的常關(guān)型的GaN功率器件，納微又進一步做了集成，包括驅(qū)動、保護和控制的集成。
GaN功率芯片集成的優(yōu)勢如下。
①傳統(tǒng)的Si器件參數(shù)不夠優(yōu)異，開關(guān)速率、開關(guān)頻率都受到極大的限制，通常基于Si器件的電源系統(tǒng)設(shè)置都是在(60~100)kHz的開關(guān)頻率范圍，導致的結(jié)果是：因為開關(guān)頻率較低，它的儲能元件，相對電感電容用的尺寸比較大，電源的功率密度會相對較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc。
②分立式GaN因為受限于驅(qū)動的線路的復雜性，如果沒有把驅(qū)動集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線參數(shù)的影響，開關(guān)頻率沒有發(fā)揮到GaN本來發(fā)揮到的高度。所以，對比于普通的Si器件大概只有二三倍開關(guān)頻率的提升，可想而知功率密度的提升也是比較有限的。相比于傳統(tǒng)的電源適配器或電源解決方案，盡管友商或者同行可以設(shè)計出較高的功率密度，但是遠沒達到1W/cc的數(shù)字。而納微的功率GaN器件由于集成了控制、驅(qū)動和保護，由于不依賴于外部集成參數(shù)的影響，開關(guān)頻率可以充分釋放。例如在電源適配器方面，目前納微主流的開關(guān)頻率在300、400 kHz，模塊電源方面已有客戶設(shè)計到了MHz。目前很多納微的客戶方案已遠遠大于1W/cc。
納微的主流產(chǎn)品系列是GaNFastTM系列，是把驅(qū)動控制和基本保護集成在功率器件里。
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GaN功率芯片集成的優(yōu)勢如下。
①傳統(tǒng)的Si器件參數(shù)不夠優(yōu)異，開關(guān)速率、開關(guān)頻率都受到極大的限制，通常基于Si器件的電源系統(tǒng)設(shè)置都是在(60~100)kHz的開關(guān)頻率范圍，導致的結(jié)果是：因為開關(guān)頻率較低，它的儲能元件，相對電感電容用的尺寸比較大，電源的功率密度會相對較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc。
②分立式GaN因為受限于驅(qū)動的線路的復雜性，如果沒有把驅(qū)動集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線參數(shù)的影響，開關(guān)頻率沒有發(fā)揮到GaN本來發(fā)揮到的高度。所以，對比于普通的Si器件大概只有二三倍開關(guān)頻率的提升，可想而知功率密度的提升也是比較有限的。相比于傳統(tǒng)的電源適配器或電源解決方案，盡管友商或者同行可以設(shè)計出較高的功率密度，但是遠沒達到1W/cc的數(shù)字。而納微的功率GaN器件由于集成了控制、驅(qū)動和保護，由于不依賴于外部集成參數(shù)的影響，開關(guān)頻率可以充分釋放。例如在電源適配器方面，目前納微主流的開關(guān)頻率在300、400 kHz，模塊電源方面已有客戶設(shè)計到了MHz。目前很多納微的客戶方案已遠遠大于1W/cc。
納微的主流產(chǎn)品系列是GaNFastTM系列，是把驅(qū)動控制和基本保護集成在功率器件里。
展開 氮化鎵繼消費領(lǐng)域之后再瞄準汽車市場
車用氮化鎵主要存在四方面挑戰(zhàn)：
車用領(lǐng)域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數(shù)的長期穩(wěn)定；
車規(guī)功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應對熱應力和機械應力的過程中有著極高的可靠性；
車在裝備過程中，在體積重量和制造成本上都有嚴格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要；
車規(guī)器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術(shù)門檻很高。
盡管困難重重，與傳統(tǒng)硅功率器件以及碳化硅相比，GaN憑借其特有的優(yōu)勢，未來依然有望得到大規(guī)模應用。目前GaN在新能源汽車中應用尚未大規(guī)模起量，但仍是一個具有潛力的應用方向。
展開 
GaN產(chǎn)業(yè)鏈—射頻通信大顯身手，功率器件或后來居上
來源：平安證券
華為大肆招兵、大舉進攻功率器件意欲何為？
NO.4
華為布局 GaN
氮化鎵（GaN）被稱為第三代半導體材料。相比硅，它的性能成倍提升，而且比硅更適合做大功率器件、體積更小、功率密度更大。氮化鎵芯片頻率遠高于硅，有效降低內(nèi)部變壓器等原件體積，同時優(yōu)秀的散熱性能也使內(nèi)部原件排布可以更加精密，最終完美解決了充電速率和便攜性的矛盾。
GaN功率器件主要銷售給電子市場
，對于消費市場來說，比較典型的就是快充，快充頭產(chǎn)品中主要包括兩塊核心部件，一是電源管理IC芯片，另一塊是功率分立器件。快充的要求是功率密度和效率。所以企業(yè)就必須以這種外形尺寸真正壓縮系統(tǒng)并降低每功率價格。
2020年4月8日，在華為2020春季新品發(fā)布上，華為發(fā)布了一款充電器單品——65W GaN（氮化鎵）雙口充電器。
當時就有傳言說是華為自研，但實際情況還有待考究。不過熟悉華為的供應鏈相關(guān)人士指出，華為在GaN領(lǐng)域已經(jīng)布局頗深。
除了消費電子領(lǐng)域的快充，基于GaN的分立器件，也更適合于高功率應用，例如數(shù)據(jù)中心或基站電源。2020年6月，華為宣布將在英國建立光電子研發(fā)與制造基地。
展開 曾經(jīng)的LED領(lǐng)頭羊Cree剝離照明業(yè)務，對我國發(fā)展化合物半導體有何啟示？
2017年，Cree選擇與國內(nèi)三安光電公司成立合資公司，變相讓出了中低功率LED市場。
圖1 2016-2019財年Cree公司營業(yè)收入（單位：百萬美元）
數(shù)據(jù)來源：公司財報，賽迪智庫整理和預測
（三）新興應用市場驅(qū)動化合物半導體產(chǎn)業(yè)成長
除了具有出色的發(fā)光性能，化合物半導體相對Si器件還具有開關(guān)速度快、耐電壓高、散熱好等特點，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、風能、家電等應用市場，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)模有望分別達到20億美元和10億美元。
（四）Cree計劃專注發(fā)展化合物半導體業(yè)務
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。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。
展開 超低成本GaN基器件面世
三維蛇形通道襯底
簡單來說，這項外延技術(shù)先制備具有三維蛇形通道的立體疊層掩膜襯底，然后在硅晶圓上異質(zhì)外延生長了高質(zhì)量的GaN晶體。
胡教授認為，在立體疊層掩膜襯底上外延的GaN晶體，實現(xiàn)了在完整的條形區(qū)域內(nèi)都是低位錯密度的高質(zhì)量區(qū)，為更復雜的高性能跨窗口區(qū)的功率電子器件提供了無限可能。
此外，受益于橫向的生長調(diào)控，實現(xiàn)了各層的堆疊方向是非極性的(110)晶面，從而避免極化電場對能帶結(jié)構(gòu)的影響，有望應用于對極化場散射敏感和對頻率性能要求高的電子器件；其橫向設(shè)計也使得漂移層寬度可輕松做到超越大電壓下的耗盡區(qū)寬度，而不受異質(zhì)外延垂直結(jié)構(gòu)中晶體厚度與晶體質(zhì)量之間矛盾的制約。
具體生長流程如下：
首先，在異質(zhì)襯底上進行蛇形通道掩膜。
然后，GaN在通道中生長。
第三步，橫向生長n+-GaN，并生長AlGaN來引入AlN覆蓋掩膜。
第四步，橫向生長n--GaN。
第五步，對于PND器件，繼續(xù)橫向生長p-GaN。
氮化鎵器件制備的2大難題
眾所周知，GaN材料的擊穿電壓理論上可達到、甚至大于
3mV/cm
的水平，
是硅的10倍
（0.3MV/cm），因此，憑借這個優(yōu)勢，理論上GaN器件能夠替代超過67%的硅器件市場。
但是，目前全球還沒有適合商用的GaN同質(zhì)襯底，盡管三菱化學正在建線，準備生產(chǎn)4英寸的氮化鎵襯底（.點這里.），但是價格會非常高。
因此，業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向了廉價的大尺寸硅襯底上，希望通過生長GaN外延層來制備功率器件。但是，由于硅襯底的導電性和低的臨界擊穿電場會導致產(chǎn)生垂直方向擊穿問題。所以，提高硅基氮化鎵功率器件的擊穿電壓是急需攻克的關(guān)鍵問題。
展開 