近日，有權威人士透露，我國計劃把大力支持發展第三代半導體產業寫入正在制定中的“十四五”規劃，以期在2021-2025年期間實現產業獨立自主。

重視之余，還要搞清楚在量大面廣的民用領域，不同材料技術究竟適合哪些應用？哪些領域可以率先嘗試？

近年來，發展電動汽車已成為全球必然趨勢，2025年到2040年一些國家將全面禁售燃油車銷售。盡管借助了空氣動力學設計，使用更輕的材料和更高效的電池，但對增加續航里程還遠遠不夠。

如何讓電動汽車達到最佳功率轉換效率，才是電動汽車贏得青睞的關鍵。要實現該目標，就必須借助于先進功率器件，比如同為第三代寬帶隙（WBG）半導體的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

由于更高的性能和更高的可靠性，未來汽車應用將是寬帶隙器件的最大市場，一些頭部車企已開始使用SiC，GaN也顯示出替代硅器件后來居上的優勢。預測表明，GaN將在2020年之后迎來大規模采用。

GaN市場的演變

分析表明，早期采用GaN的都是需要高性能、高效率的應用，市場較小；工業應用進展緩慢，但生命周期長。2019年，GaN市場出現了增長拐點，2021年后的增長將由汽車應用來推動。

從發明到商用

成為“頂流”要實力說話

歷史總是驚人的相似，故事經常出奇的雷同。

1955年

美國無線電公司Rubin Braunstein發現了砷化鎵（GaAs）與及其他半導體合金的紅外線放射作用；

1962年

美國通用電氣的Nick Holonyak Jr開發出可見光LED；全球第一款商用LED是1965年用鍺材料作成的，單價45美元；

1972年

有少量LED顯示屏用于鐘表和計算器；上世紀80年代出現了表面貼裝器件（SMT）LED；LED真正起飛是在上世紀90年代，日本日亞的Shuji Nakamura利用氮化鎵制成了藍光LED，之后白光LED啟動了廣泛的LED應用時代。

2005年

一個LED燈泡要20多元，2012年10月，《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》發布，將從2016年10月1日起禁止進口和銷售15瓦及以上的白熾燈，現在即使淘寶上還有賣，但是絕大多數人已不會選擇。

第三代半導體很像當年的LED，電動汽車也差不多。GaN屬于寬帶隙材料家族，是一種二元化合物，所有也叫化合物半導體材料。其分子由具有纖鋅礦六角形結構的一個鎵原子（III-基，Z = 31）和一個氮原子（V-基，Z = 7）組成。

GaN的原子結構

在功率和效率方面，GaN比硅具有明顯的優勢。以全部是電子部件的電動汽車為例，從電池到驅動車輪的電機的功率轉換是一個電能轉換為機械能的過程，電機自身的效率至關重要。拋開電池本身的因素，目前功率轉換的效率約為92%。

如果有一種技術可以將效率提高到98%又將如何呢？這時熱損耗將減少到2%，也就是2kW，這樣就可以用風冷系統來冷卻。這種技術就是GaN。從硅轉向GaN不僅可以降低損耗，還能簡化系統設計，減小整個系統的尺寸和重量，進而又延長了行駛里程。

這個時刻已經到來，GaN已完成了從發明到商用的進化，并開始了其作為主流功率晶體管技術的里程。

那么，為什么沒有更早采用GaN技術呢？Nexperia公司功率GaN技術戰略營銷總監Dilder Chowdhury說：“要讓一項新技術從實驗室走出來，應用于大規模生產需要十年甚至更長的時間，GaN FET就是這種情況。”

他回顧道，過去三四十年，GaN一直都在實驗室中，1990年以來，雖然這種III-V直接帶隙半導體材料已廣泛用于發光二極管（LED），但要進入主流功率晶體管應用并不容易。后來它用到了射頻和無線電領域，如4G和5G基站。而在功率領域，由于成本原因，GaN技術的可行性不高。與其說增加成本，不如說人們愿意承擔一些可接受的功率損耗，直到GaN技術的成本達到合理價位。現在，硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術提供了更好的成本路線圖。

不同領域的收入增長階段

功率電子也看“摩爾定律”？

降低功率損耗是整個行業面臨的一大挑戰，一些半導體廠商認為，GaN是功率半導體的未來。在功率電子的“摩爾定律”面前，GaN為繼續提升功率密度提供了有效的途徑。

與硅和SiC相比，GaN的內在性能優勢在于，它在任何電壓范圍都具有更高的效率和最低的功率轉換損耗，且可在更高頻率下工作。相對成本優勢也不在話下，硅基GaN比SiC更便宜，系統成本也低于硅。更小、更輕、更涼爽的電源系統推動了功能價值的提升，在器件級也接近硅的平價成本路線圖。看來“摩爾定律”也在起作用。

GaN與其他半導體的對比

市場趨勢顯示，除了行將爆發的5G手持設備和將于2022年大幅增長的RF市場對GaN的需求，2025年1200萬輛的電動汽車市場也將批量應用GaN Power FET，主要用途是車載充電器、功率轉換器、電源逆變器。

推動GaN需求的市場趨勢

雖然，汽車市場商用GaN功率器件的份額仍落后于SiC，但其適用性正在得到證實，在某些方面甚至有后來居上之勢。

克服硅基GaN挑戰

在用GaN實現主流大功率FET之前，有許多挑戰需要克服。首先，從制造角度看，III-V族半導體的制造成本往往比較高。能夠在大型硅襯底上成功生長出具有適當外延性能的厚GaN外延層，是使用標準150毫米（6英寸）晶圓進行生產的關鍵。否則，具有可伸縮性和降低成本意義的真正批量生產就是紙上談兵。

圖源 |infineon.com

對于FET器件本身，解決動態RDSon等問題對于實現客戶所需的器件性能至關重要。只有開關品質因數（RDSon x Qgd）和反向恢復電荷（Qrr）大大降低，才能實現高開關頻率，同時實現更低的功耗和更高效的功率轉換。

在批量生產方面，需要借鑒將汽車MOSFET測試推向關鍵可靠性測試的AEC-Q101認證要求的經驗。這意味著要花大量時間對GaN器件進行反復測試，以確保其在整個生命周期都能兌現高可靠性的承諾。

當然，還要從應用拓撲的角度了解硅基GaN FET的真正優勢，因此需要表征功能器件并了解其在各種拓撲中的行為，以此建立對GaN的理解和內部經驗來支持客戶，使其成為主流的功率半導體技術。

最后，除了效率和質量之外，客戶也十分看重值得信賴的穩定產品供應。制造廠（包括前端、后端的各種封裝工藝）需要經過全面垂直整合，才能完成最優化的規模化生產，并有可能通過投資不斷加大產能。做好了上述每個步驟，才能保證生產工藝和產品的長期穩定，確保客戶對產品供應放心。

GaN之于汽車應用

社會壓力和減少二氧化碳排放的趨勢正在推動汽車行業加大投資，提高功率轉換效率和電氣化水平。功率GaN技術不但表現出極大的性能優勢，還能為電動汽車等功率轉換應用帶來一系列優勢。

汽車行業的電氣化應該是功率GaN技術的最大受益者。電動車/混合動力汽車（xEV）的功率損耗會影響續航里程，而這正是電動汽車普及的難點所在。因此，高效的功率轉換對于電動汽車的成功至關重要。此外，更加高效的功率轉換可減少使用昂貴冷卻系統的散熱需求，降低車輛重量和系統復雜性，從而潛在地增加續航里程。

受益于GaN技術的電動汽車系統包括：AC/DC車載充電器、DC-DC功率轉換器，因為要使用12V/48V/400V電池，它們必須能夠相互兼容；還有為電池充電的插座，以及驅動牽引電動機的DC/AC逆變器。所有這些設備都需要高效的功率轉換，也是GaN技術的用武之地。

效率的根本問題在于開關損耗，每個開關周期中都會出現電流電壓交越，這就會產生交越損耗，在轉換過程中還會發生干擾及其損耗。

如果能夠使電壓降至零，同時電流升至最高，電壓電流交越就最小，那么開關損耗將會接近零。

這樣就可以最大程度地提高效率和延長電池使用時間，實現大約10%的改進。這就是GaN的作用。高功率GaN能夠顯著降低開關損耗，因此同樣的電池可以行駛更長時間。

舉個例子，如果將200kW逆變器效率從95%提高到99%，就可以將滿載功率損耗從10kW降低到2kW，僅為原來的五分之一。這樣，不但減少了8kW損耗（提高有用牽引功率），還不必使用昂貴冷卻系統，同時減少冷卻能量消耗及冷卻系統的尺寸和重量。

目前，功率GaN FET已克服了現有技術的許多限制，如基于硅的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和硅超結（SJ）解決方案。功率GaN沒有反向恢復損耗，可實現非常低的開關損耗（高速開關特性），更高臨界電場和更高遷移率可以實現更低的導通損耗。在高電壓下的低導通電阻可以提供出色的開關品質因數。

無論是AC/DC PFC級、DC-DC轉換器還是牽引逆變器，大多數拓撲的基本構建模塊都是半橋。因此，在簡單升壓轉換器中比較GaN FET與Si FET時，GaN FET的表現更為出色。

在汽車中用功率GaN替代傳統方案，以更簡單的控制方案就能充分發揮器件數量少和高效率的優勢。GaN功率晶體管更快的開關速度和更高的工作頻率有助于改善信號控制，為無源濾波器設計提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而縮小電感、電容和變壓器的體積，進而構建體積更小的緊湊型系統解決方案，最終實現成本節約。

半導體廠商競逐高功率GaN藍海市場

目前，有很多公司在推廣SiC技術，這種材料的生產較GaN更為成熟。但另一些廠商卻與GaN結下不解之緣，他們在努力加速超越SiC。他們從事新技術，探索全新領域，是藍海市場的先驅者，因為沒有人來過這里。

功率GaN已在主流消費市場應用，其他應用還是藍海

這里介紹幾家比較典型的GaN技術公司，他們是你中有我，我中有你，真的是剪不斷，理還亂！

Cree（科銳公司）

主打專利授權

第三代半導體的領軍企業，SiC和GaN都做。Cree認為，GaN存在一些技術挑戰，特別是難以生長GaN外延膜。這是由于在尺寸和純度方面，難以制造用于同質外延的天然GaN襯底。因此，需要用異質外延生長的另一種襯底。這種材料不僅必須具有高熱導率，還必須與GaN晶格低失配。

Transphorm

專利組合支持高壓GaN

公認的GaN技術領導者，從Cree獲得了GaN技術授權，其重點是為高壓功率轉換應用提供最高效能、最高可靠性的GaN半導體，優勢是擁有與汽車行業（尤其是日本）直接合作的成功經驗。

Nexperia（安世半導體）

專攻車規器件

全球汽車行業獨立供應商，前身是恩智浦的標準產品事業部，2017年初獨立運營，Transphorm是其唯一參股公司；2019年收入150億美元，同年被聞泰科技收購。Nexperia在大批量生產滿足汽車行業嚴格標準（AEC-Q100/Q101）的可靠和必需的半導體元件方面處于領先地位。

ST（意法半導體）

打造量產能力

為增加GaN技術積累實力，將產品組合擴展至GaN領域，2020年3月，收購了法國氮化鎵創新企業Exagan多數股權。此前ST已在建設一條新產線，將于2020年投產，用于生產包括硅基GaN異質外延在內的產品。

VisIC

不斷挑戰功率密度

VisIC Technologies是一家以色列公司，由氮化鎵技術專家創立，旨在開發和銷售基于GaN的先進功率轉換產品。其開發并推向市場的基于GaN的晶體管和模塊專門針對混合動力和電動汽車、數據中心、可再生能源和工業電機的高功率轉換應用。VisIC已獲得GaN技術的主要專利，還有其他專利正在申請中。

英飛凌

GaN仍是中小功率

圖源 |Infineon

上面說過，如果英飛凌收購Cree旗下Wolfspeed的Power和RF業務獲得成功，那又當別論。為了補齊產品線，2015年英飛凌收購國際整流器公司（IR），在硅基GaN領域邁了一大步，但仍需要松下的HD-GIT專利許可來鞏固收購獲得的成果，而且IR的技術只適合中、低功率應用。

這恐怕也是到2018年底英飛凌量產的CoolGaNTM 400V和600V HEMT只適合低功率SMPS和電信整流器應用的原因。當然，英飛凌的大功率SiC還是風生水起。

寫在最后 未來規劃

最后，半導體行業的發展歷史表明，人們不會一下就放棄使用舊技術，GaN、SiC、Si三種技術將會共存。但在新的領域，舊技術無法做到的事情將成為可能。況且，從電池到車輪的直接功率轉換器可能需要幾年時間才能推出，時下最重要的是向世界展示GaN的優勢。

從企業層面看，要啟動和保持獲利性的增長，就必須超越產業競爭，開創全新市場，包括突破性增長業務。GaN就是一個有待探索的新知市場空間，尚無惡性競爭，是充滿利潤和誘惑的新興市場，值得深挖！但是，我們也必須看到，國外一些領先企業對第三代半導體技術已耕耘了幾十年，形成了完整的專利鏈和產業鏈，國內企業要想彎道超車需要做出更大的努力。

- END -

作者：文立

PSDC（中國）主編

原文標題：手機快充終將成往事 GaN大功率破圈在即

文章出處：【微信公眾號：傳感器技術】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq