【导读】氮化镓 (GaN) 功率半导体正持续为那些需要消耗大量能源，但同时长远地影响全球经济发展的产业带来显著地改变。在数据中心、车用及消费电子等应用市场，GaN功率器件已开始取代既有使用硅的设计方案，重新定义电源系统最佳设计，为市场带来更小、更轻、更具能源效率的产品。从提升电动车续航里程，到优化数据中心能源使用效率，及缩短消费电子产品充电时间等，这些功能面的优化，皆加速扩大 GaN 功率半导体应用范围至微型交通、光伏发电、电动工具、音响系统等新兴应用领域。
加速全球微型交通发展态势
英国研究公司The Faraday Institute指出，全球都市人口密度将于2050年前再提高50%，届时全球将有67亿人口全数集中于都市地区。因此，以电动自行车及电动滑板为大宗的微型交通工具，在人口密度持续成长的都市地区逐渐受到重视，被视为能减轻交通壅塞、停车不易等都市交通问题的解决方案，并在油价持续高攀的时代，提供更经济且永续的交通方式。全球微型交通市场规模预计将于2028年突破693亿美元。
能效、功率密度、轻巧简约外观设计及成本效益为设计开发电动微型交通工具的考虑重点，基于GaN设计的马达控制驱动器能使整体能效及充电效能提升一个档次。以电动自行车来说，GaN功率器件能使马达控制器尺寸更小、重量更轻，提高能源转换效率并减少能耗损，进而实现更简约轻量的外观设计并延长续航里程，应用于电池充电器上，也能减少充电时间。
市场上已有不少公司正透过基于高性能、高频率的GaN功率晶体管所设计的马达驱动器、控制器与逆变器，为电动机车、电动自行车、电动滑板车等个人电动交通载具提供创新动力总成 (powertrain) 解决方案，优化整体马达输出功率及效率，透过整合高质量、高可靠的GaN功率晶体管与先进软硬件技术，微型交通工具的续航里程最高可延长百分之三十。
当社会、经济、环境三大面向同步推升微型电动交通工具的需求力道，GaN功率半导体将扮演实现永续且具经济效益的未来交通的关键角色。
汽车正成为氮化镓大规模采用的主角
电力电子一直是受成本控制的市场，因此，当宽带隙产品以高价进入市场时，接受度自然很低。正是一些超前型应用的采用化解了宽带隙产品的尴尬。GaN 和 SiC 现在已经发展到第四代、第五代，有些地区的价格已经与硅相差无几，采用率正在逐步提升。
他相信，只有拥有合理的成本，并不断制定持续降低成本的路线图，同时还拥有一个成熟的完整供应链，确保客户在与硅产品相同的订单上获得稳定供应和可靠性，才会让宽带隙产品成为市场的真正赢家。
十年来，整个行业都存在高成本、有限的产量和受限的供应链问题。“不管技术如何，所有客户都很关心成本和供应链。在这方面宽带隙与硅很相似。不过，SiC 和 GaN 的发展也存在差异。”Larry Spaziani 说。
他解释说，硅是在硅锭中生长的，然后被切成薄片，也就是晶圆；而碳化硅是块状生长的，在质量和数量上都很难保证。所以，业界最担心的是，一旦电动汽车市场启动，碳化硅的大批量供货可能出现问题。
即使 Cree 等一些头部企业加大了投资来扩大碳化硅产能，但供应量仍然有限。相比之下，商用和车用氮化镓是在普通硅片上开发的，大多采用标准 CMOS 工艺。氮化镓的产量只受限于外延反应室，在 3 至 4 个季度的交货期内，可以扩大到任何规模。因此，氮化镓没有任何供应链受限的担忧。
碳化硅和氮化镓的供应商都有自己的专有技术，通常没有多个货源。因此，客户正在系统级谋求各种货源，如使用多家供应商的器件来开发一个产品，使两个供应商的芯片都可以胜任应用。一些供应商也已经签订了多源协议，以消除客户的后顾之忧。
新能源、数据中心是GaN主要市场驱动力
GaN目前与消费电子、5G基站、新能源领域有比较深度的融合。
在消费电子领域，GaN快充电源市场接受度高，相比硅基功率器件的充电器更小更轻；GaN在消费电子领域正在改变的另一个产品是MicroLED，GaN具有较好的光学和电气性能，可实现高亮度水平和宽色域。
5G基站也是GaN的应用领域，主要产品为GaN功率放大器和微波射频器件。GaN材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比，具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力。一个5G基站往往使用多个GaN，同时5G基站的投资建设仍在持续，工信部的数据显示，2022年我国新建5G基站88.7万个，2023年将新建5G基站60万个。
新能源和数据中心是GaN市场增长的驱动力。新能源领域，汽车电动化推动GaN功率器件商业化，这些产品提供更高的击穿电压、更高的电子移动性，并且需要更少的热管理，传统的汽车功率器件采用的是硅基功率MOSFET或绝缘栅双极晶体管（IGBT）。此外，GaN太阳能电池被认为是未来光伏领域的重要技术之一。在风电领域，GaN可以用于制造功率变流器和逆变器。
数据中心需要大量电力供应和高效能源管理，GaN功率器件可以提供更高效的电力转换和更小尺寸的设备，降低能源消耗、减少空间占用，此外，GaN用于数据中心的高速通信模块，提供更快速、稳定和可靠的数据传输。
两大技术路线对比
由于GaN场效应晶体管（FET）支持更快的开关速度和更高的工作频率，有助于改善信号控制，为无源滤波器设计提供更高的截止频率，降低纹波电流，从而帮助缩小电感、电容和变压器的体积。从而构建体积更小的紧凑型系统解决方案，最终实现成本的节约。
下图是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）结构剖面图，在GaN和氮化镓铝(AlGaN)层的界面处存在自发极化和压电极化，形成二维电子气(2DEG)。Epi通过种晶层在硅衬底上形成。先生长GaN和AlGaN的渐变层，然后生长纯GaN层。最后一层很薄的AlGaN形成2DEG。2DEG的电子迁移率非常高，因此得名。
当前的功率GaN FET有两个主流方向：增强型（E-Mode，单芯片常关器件）和耗尽型（D-Mode，双芯片常关器件）。目前E-Mode栅极有稳定性和漏电流的问题，而驱动双芯片常关（或者说共源共栅配置）的D-Mode器件则更简单并稳健。所以，对于可高达1 MHz开关频率的操作，共源共栅GaN FET最为适合。
氮化镓功率器件分为增强型（E-Mode）和耗尽型（D-Mode）两种，增强型是常关的器件，耗尽型是常开的器件。
目前，就主要玩家而言，松下、英飞凌、GaN Systems、EPC、GaN Power、英诺赛科、Navitas，以及成都氮矽等采用的是E-Mode设计；Transphorm、PI、TI、Nexperia、镓未来、以及大连芯冠等采用的是D-Mode设计。
珠海鲸芯创业投资管理有限公司投资总监熊清子女士曾在一次分享中指出，Navitas、英诺赛科、英飞凌虽然都采用了E-Mode的设计，但也有所不同，比如它们的氮化镓管跟驱动匹配的方式就不太一样，Navitas采用的是单片集成HEMT和驱动。驱动单片集成的优势在于开关速度高，使器件的高频性能得到充分发挥，但由于在氮化镓上制作驱动，无法兼顾复杂的方案，缺少测电流、测温等功能，同时可靠性相比于硅基驱动也会降低许多。
而英飞凌合封HEMT和驱动、分立外挂驱动两种方案都有。其GaN开关管采用专用驱动IC------GaN EiceDRIVE。单片集成方案，英飞凌内如也有研发，但并未面世。
英诺赛科大部分的出货产品并没有搭配专门的驱动IC保证开通与关断（既无外挂专门的驱动，也没有将驱动与功率管进行合封），而是通过控制器直接进行驱动，或者在氮化镓功率管外直接搭建简单的电路进行驱动，这使得其产品的功率密度相比于PI、Navitas差了2倍以上，牺牲了可靠性和效率。
PI采用的是D-Mode内的级联设计，并使用了蓝宝石基衬底，成本较高。另外，因为级联设计是在硅管和氮化镓开关管之间做级联，可靠性和匹配上存在挑战，需要器件在性能上做一定的妥协，因此在消费电子领域，级联设计不具有成本和性能的比较优势，但是在栅极的可靠性上，D-Mode级联设计要由于E-Mode设计。PI采取的是功率管和驱动合封的方式，搭配PI研发生产的专用驱动IC。好处是，其驱动跟现有的硅基驱动是一样的，产业链非常的成熟，整体设计也更简单一些。
对于未来发展模式，就目前来看，硅基氮化镓的成本更低，技术成熟度也高，未来几年扩产的产能平台应该会以硅基氮化镓平台为主。另外，很多氮化镓的新玩家主要针对的市场是快充市场，他们主要采用E-Mode设计的硅基氮化镓为主。当然，这两种技术路线并没有谁最好之说，有的只是性能、成本，以及应用领域等多方面综合考量后，做出权衡取舍后的结果。
来源：贤集网
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