GaN， “镓”驭全功率 ——高压大功率应用，氮化镓前景可期
时间：2024-06-17 14:07:11
功率半导体畛域已有很多年未产生系统性手艺变更，今朝热点的宽禁带（WBG）功率器件曾经开端占领本人所“长于”的市场畛域——（）功率器件使用从快充起步已取得显著的商业化发展，EV的逆变器则领先采用了碳化硅（SiC）。
然而，近年来GaN向“全功率”市场的扩大，预示电力电子使用市场将再也不“风平浪静”，有迹象注解，氮化镓有望改写功率半导体畛域的合作款式。
功率器件市场的结构性重塑
Yole 2023年的统计展望表现（图1），将来五年内功率器件市场范围将从209亿美圆扩大到333亿美圆，今朝仍主导市场的传统MOSFET和IGBT器件的市场占比同期大幅降低，而SiC和GaN功率器件市场份额有望在2028年即达到三成。
图1：SiC和GaN功率器件市场份额将在2028年达到30% （材料起源：Yole 2023）
电力电子使用看好宽禁带化合物半导体功率器件，是因为基于GaN或许SiC的开关电源消耗小、事情频次高，在功率密度、可靠性和下降（体系）本钱等方面有着显然上风。这些上风得益于资料的诸多特点，如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁移率。基于这种资料的功率器件，导通电阻能做到很小，并能够事情在更高的电压下——相比之下，传统硅基器件则达到了功能极限。
Omdia对功率器件使用市场组成举行的阐发注解，低压大功率使用市值占80%以上，包孕工业、汽车、计较与存储等畛域（图2）。此中，混杂/纯电动汽车(HEV/EV）很多是这场合作的主竞技场，这不但由于纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍，并且2027年环球电动汽车的销量将跨越燃油车（Omdia 2024）。
图2：低压大功率使用占功率器件市值80%以上（材料起源：Omdia 2024）
假如咱们进一步阐发，会有一些更有代价的发明。The Information Network的统计数据表现，GaN市场增速高于SiC——2021-2025年时期，GaN的复合年均增长率达到53.2%，跨越碳化硅的42.5%。同时，从Yole 2024 Q1展望中（图3）也可显然看出，GaN复合增进趋向显然强于SiC市场。GaN功率半导体器件市场5年内达到24亿美圆，而在GaN市场份额变迁中，汽车与出行市场（Automotive & Mobility）“从无到有”，增幅最为抢眼。相比之下，SiC市场款式将无大的更改，汽车市场使用占首要份额。
图3：GaN在汽车与出行市场完成 “从无到有”（材料起源：Yole Q1 2024）
不难看出，功率器件市场将来几年结构性的重塑，将是一场GaN与SiC的PK。GaN对阵SiC，这场拉锯战若何进展，将取决于手艺门路和赛道的抉择是否更精准锁定市场的需要，以及手艺的进展是不是可以或许与如许的市场机缘相符合。
GaN的手艺上风
众所周知，半导体功率器件在功率转换使用中充任开关电源——处于“关断”状况阻断电流，纵然在施加的电压很高时也是云云；处于“导通”状况时，对电流的固定阻力要异常小。是以，功率半导体资料需求拥有高击穿电场和高电荷迁移率。电力电子畛域，GaN和SiC庖代硅基电子器件，恰是因为它们在这些方面比硅资料性子更大的上风。
GaN 和 SiC 都属于所谓的宽带隙半导体，带隙越宽，原子之间的键越巩固，击穿电压就越高。GaN 的带隙为3.39 eV，硅的带隙惟独1.12 eV，SiC带隙则为 3.26 eV。宽禁带半导体可以或许更好地支撑低压使用。
资料的电子迁移率越大，沟通电场强度下电子的速率越高，每一个电子照顾的电流就越大。硅的电子迁移率为 1500 cm2/ V•s， SiC惟独800 cm2/ V•s，而GaN的电子迁移率高达2200 cm2/ V•s摆布，这意味着电子经由过程GaN要比SiC快得多。
图4：与硅资料相比，SiC和GaN的资料特点更具上风，可以或许使功率器件拥有高的击穿电压和低的导通电阻（Ron）
凭仗云云高的电子迁移率，在实践应中，GaN能够取得高电流，与 Si 或 SiC 相比，守旧或关断GaN所需求的电荷更少，也就是说，减少了每一个开关周期所需的能量，有助于进步服从。同时，GaN 的高电子迁移率同意开关速率达到约莫 50 V/ns，该特点使得基于 GaN晶体管的功率转换器能够在数百 kHz 的频次下高效运转，而基于硅或 SiC 的功率转换器的频次约为 100 kHz。
高效率和高频率使得基于 GaN 器件的功率转换器物理尺寸异常小，且重量轻。高效率意味着能够接纳更小的散热装配，而在高频下运转则意味着电感器和电容器也能够异常小，大大下降团体的体系本钱。
GaN手艺门路的抉择
当然，假如你选定了GaN手艺，并想在终究的使用中充沛发挥出其手艺上风，抉择适宜的手艺门路也很首要。详细来说，也便是增强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）这两条手艺门路的抉择。
GaN晶体管的胜利很大程度上归功于一个关头的天然征象：2DEG沟道。2DEG是在GaN和AlGaN薄层界面处自觉构成极端倏地的导电通道。其自觉存在的电子浓度是半导体材估中可达到的最高之一。除此以外，它还可提供两倍于最进步前辈的硅基或碳化硅晶体管的电子迁移率——高达2000cm2/V∙s。咱们能够将二维电子气 (2DEG) 看做GaN材估中来自大自然馈赠。
图5：氮化镓功率晶体管之美满表现— D-Mode AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）
得益于GaN资料个性，在AlGaN/GaN界面自觉构成2DEG沟道，而无需内部施加栅极电压。这意味着器件是常开型的，若想要耗尽沟道电子从而封闭它则需要给栅极加负偏压便是耗尽型器件每个GaN功率器件都源自耗尽型器件。然而，电力电子体系每每需求常闭型器件完成毛病平安操纵根据栅极特点差别，GaN功率器件被分为常开的耗尽型（D-mode）和常关的增强型（E-mode）两种范例因为常开的D-mode GaN自身无奈间接应用需求经由过程增添核心元器件体式格局，将D-mode GaN从常开变成常关型。
级联型D-mode GaN经由过程应用高压Si MOSFET的开关动员团体的开关，从而将常开变成常关型，从而以一种纯原生、高性能方式应用氮化镓。在Normally-off D-mode手艺中，氮化镓HEMT布局稳定从而坚持它的高性能及可靠性天然状态下，2DEG沟道可不受束厄局促地最大化其无与伦比的高迁移率和电荷密度组合。Transphorm的Normally-off D-mode解决计划是将氮化镓HEMT与低电压常关型硅基MOSFET连系完成操纵。该解决计划依据功率等级、拓扑布局体系框架可提供2.5伏至4.0伏的正阈值电压。
不同于级联型 D-mode GaN经由过程级联高压Si MOSFET完成常关型，E-mode GaN间接对栅极举行搀杂修正能带布局抉择操纵HEMT外部的2DEG转变栅极的导通阈值，从而完成常关型器件，但氮化部份人造上风就会遭到负面影响比方，dV/dt较高时解决计划的栅极对过电压毁坏和偶发性导通敏感，以及电阻温度系数静态阈值增添约30致使每一个开关周期静态导通电阻增添30关于低功率适配器，增强型能够接收然则跟着功率程度进步和增强型饱和电流随温度下降这时请求的是并联，最终会下降体系的密度功能和可靠性增添本钱，更不用说增强型创造比拟艰苦。
图6：较高的薄层电阻因为完成关断沟道致使较低的沟道电子浓度
在更高功率使用中，客户均想方设法下降本钱下降功耗进步器件长时间可靠性取得合作上风，而E-mode范例GaN遭到根底物理要素限定功能降低，可靠性上也会有所折衷是以这类范例的GaN器件主要为低功率使用。Transphorm近期宣布手艺白皮书先容，用DmodeGaN替代一款市售电源设配器中的增强型 GaN不但完成了更好服从并且将机壳温度降低了50另外，D-mode GaN常闭平台异常适宜种种规范封装比方通孔、表贴、多芯片模块等，这些封装自身拥有高性能和高可靠性，增加了平台自身功能和可靠性。
值得一提的是，级联型D-mode GaN经由过程应用高压Si MOSFET的开关动员团体的开关虽然驱动电路和Si MOSFET沟通，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频次速率远高于传统的Si MOSFET以是请求驱动IC可以或许在很高的dv/dt环境失常事情。
