隨著全球新能源汽車市場的廣泛鋪開，功率如今也成為各大整車OEM及用戶所關(guān)注的熱點之一，如何有效地管理和使用電源功率已成為當(dāng)下新能源類產(chǎn)品在全球汽車市場實現(xiàn)規(guī)?；占暗年P(guān)鍵挑戰(zhàn)。作為第三代功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要成員，GaN憑借其高速開關(guān)能力、精簡的外圍電路以及更低功率損耗等多項優(yōu)勢，在12V甚至未來48V的汽車電池DC-DC轉(zhuǎn)換器以及OBC等應(yīng)用上將大有用武之地。而目前，一些主要的生產(chǎn)商如Transphorm已經(jīng)獲得了汽車的相關(guān)資質(zhì)，同時也有越來越多的國際半導(dǎo)體大廠如英飛凌、TI等也都開始跟進(jìn)，GaN功率半導(dǎo)體在車載市場正快速起步。

GaN應(yīng)用優(yōu)勢突出 漸成車載DC-DC轉(zhuǎn)換器等首選方案

作為目前市場熱度最高的兩大功率半導(dǎo)體材料，SiC和GaN受益于自身所具備的高速開關(guān)、寬禁帶以及高功率密度等優(yōu)異特性，在工業(yè)、移動、家電以及汽車等諸多應(yīng)用場景都備受熱捧。尤其是新能源汽車領(lǐng)域，據(jù)主流機(jī)構(gòu)預(yù)測2018年以后兩大功率半導(dǎo)體市場的CAGR（年復(fù)合增長率）會達(dá)到甚至超過35%，2027年整個市場有望突破100億美元。雖然就目前來看，新能源汽車功率器件領(lǐng)域仍然以傳統(tǒng)Si器件和SiC應(yīng)用居多，但業(yè)內(nèi)預(yù)估未來幾年硅基GaN（GaN-on-Si）成本會快速下降，量產(chǎn)制備門檻也會逐步降低，GaN器件有望在2020年之后成為車載逆變器及DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用的首選方案。

ROHM半導(dǎo)體（北京）有限公司設(shè)計中心所長水原德健在接受本刊采訪時表示：“GaN是用于新一代功率元器件的半導(dǎo)體材料，其物理性能優(yōu)異，尤其是高頻特性使其在低耐壓領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。例如，將GaN功率器件搭載于車載DC-DC轉(zhuǎn)換器或逆變器等電源裝置時，能夠大幅提高車載DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率且能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的小型化等，未來有望得到進(jìn)一步普及。”

據(jù)編者了解，相比硅器件而言，氮化鎵的電荷比硅低10倍（Qoss, Qg, Qrr)，且具備更高的工作頻率和效率，同等功率輸出下設(shè)計可以更小巧且精簡，而同等體積下也能做到更大、更高的功率密度以及更低的系統(tǒng)設(shè)計成本等諸多優(yōu)勢，這些都能夠在汽車48V的DC-DC轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域創(chuàng)造很多的實用價值。

不過，英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍博士卻認(rèn)為：“由于汽車領(lǐng)域不管是從可靠性還是其他方面的要求都是比較高的，甚至比工業(yè)領(lǐng)域的級別要求還要更高。因此，GaN器件還需要等到整體系統(tǒng)成本能夠有所縮減以及可靠性真正達(dá)到一定證明的時候，才能在汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。作為汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，英飛凌目前市場占有率排在第二位，我們也已經(jīng)在該領(lǐng)域投入GaN技術(shù)，2019年我們會慢慢發(fā)布GaN在汽車領(lǐng)域的路線圖，相信能為48V車載DC-DC轉(zhuǎn)換器及更多應(yīng)用帶來更強(qiáng)大的解決方案。”

由此可見，成本和可靠性是當(dāng)前GaN功率器件向車載DC-DC轉(zhuǎn)換器市場滲透的兩大主要障礙。業(yè)內(nèi)某資深IC設(shè)計工程師也告訴記者：“一方面是由于GaN和Si之間晶格的不匹配，使得二者之間存在熱膨脹系數(shù)和晶格系數(shù)相差較大的問題，在結(jié)構(gòu)上需要做緩沖層（例如AIN/AIGaN），這些緩沖層非常重要，因為需要進(jìn)行調(diào)諧以幫助最小化電荷阱。而且，受當(dāng)前的架構(gòu)限制，GaN設(shè)備大多為常開型設(shè)計，這些結(jié)構(gòu)和架構(gòu)上的問題也使得GaN目前在可靠性方面做的還不夠好，從而影響汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器這類高安全、高可靠要求市場的整體接受度?！绷硪环矫妫m然GaN這類寬禁帶器件的性能優(yōu)勢毋庸置疑，但這種功率半導(dǎo)體器件目前如何能解決成本問題，并實現(xiàn)量產(chǎn)普及導(dǎo)入汽車市場還是一個待解的難題。

從結(jié)構(gòu)到架構(gòu)：GaN器件可靠性仍待挖掘

誠如上述，對于汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器這類應(yīng)用來說，GaN器件的可靠性關(guān)系到整個轉(zhuǎn)換器設(shè)備最終的轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性、安全性、功耗和散熱等一系列參數(shù)。體現(xiàn)在GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)和架構(gòu)上要求也會十分嚴(yán)苛，需要從結(jié)構(gòu)和架構(gòu)層去進(jìn)一步挖掘器件的可靠性設(shè)計潛力和價值，目前比較主流的還是在結(jié)構(gòu)方面提升2DEG的面密度、架構(gòu)上進(jìn)行“常開向常閉”設(shè)計的轉(zhuǎn)換。

業(yè)內(nèi)某資深I(lǐng)C設(shè)計工程師表示，“從GaN HEMT的結(jié)構(gòu)上來看，其主要包括襯底、緩沖層、溝道層、隔離層以及施主層幾部分。其中，器件核心部分為溝道、隔離和施主三層，由它們最終形成AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，決定器件電荷流動和開關(guān)速度等各類參數(shù)。當(dāng)器件通電時，電子從n型AIGaN層擴(kuò)散到非摻雜的GaN層，形成2DEG（即二維電子氣），GaN HEMT就是通過柵極下的肖特基勢壘來控制AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子氣濃度，從而實現(xiàn)對電流的控制的。”

通過改變GaN HEMT的柵極電壓，可以相應(yīng)的改變在AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處所形成的三角形勢阱的深度和寬度，進(jìn)而達(dá)到改變2DEG的濃度，控制HEMT電流的目的，該資深I(lǐng)C設(shè)計工程師強(qiáng)調(diào)：“HEMT的工作區(qū)為非摻雜的GaN層，在低溫下由于晶格的振動會相應(yīng)的減弱，n型AIGaN層中的電離雜質(zhì)中心對緊鄰的2DEG散射顯得很重要。所以，一般業(yè)內(nèi)為了完全將雜質(zhì)中心與2DEG隔離開來，往往會在n型AIGaN層和GaN層中間加一層非摻雜的AIGaN隔離層，通過該隔離層的作用來提高2DEG的遷移率，尤其是低溫遷移率。而目前，高2DEG的面密度設(shè)計仍然是業(yè)內(nèi)GaN HEMT結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因為如果隔離層設(shè)計的厚度過大，就會使得2DEG的面密度直線下降，導(dǎo)致源極和漏極的串聯(lián)電阻增加，從而直接影響GaN HEMT的可靠性。在這方面，業(yè)內(nèi)比較多的是通過改變AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的導(dǎo)帶差以及提升器件的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的影響等多重手段來提升AIGaN/GaN界面的2DEG密度，從根本結(jié)構(gòu)上來充分挖掘和提升GaN器件的可靠性，但具體能夠改變多少還決定于各廠商采用的自主方案，見仁見智?！?/p>

除結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，由于傳統(tǒng)的耗盡型GaN芯片在操作中一般都處于“常開”的狀態(tài)，因此必須先施加負(fù)偏壓計，否則系統(tǒng)將很容易發(fā)生短路，這就迫使常開型的GaN設(shè)計難以適應(yīng)各不同場景的應(yīng)用要求，尤其是對可靠性要求極高的汽車領(lǐng)域。因此，如今供應(yīng)商也都從耗盡型器件轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)型器件，因為這些器件通常是關(guān)斷狀態(tài)，直到電壓施加到柵極后才會打開，這對于OEM們來說也會更為理想。

對此，鄧巍博士表示：“GaN作為一個常開型器件，很難被客戶所應(yīng)用和接受。因為大家無論是在硅，還是其他器件上已經(jīng)熟悉了常關(guān)型的理念。所以，英飛凌非常了解這個狀況，并在技術(shù)細(xì)節(jié)和工藝上做了一些改動，比如我們在柵極加了‘P-’，做出了一個市場比較容易理解的常關(guān)型器件。”

具體來講，"首先，我們采用了P型氮化鎵電阻柵，柵極電壓超出正向電壓時進(jìn)行空穴注入。氮化鎵我們采用的是一個常關(guān)的理念，作為第三代半導(dǎo)體器件，氮化鎵如果不在柵極做任何的電壓動作的話，它中間有一個二維電子氣的層，中間會有電子在中間流動。因此，我們也做了P型氮化鎵漏極接觸設(shè)計，來避免電流崩潰，實際上氮化鎵有一個業(yè)界比較棘手的問題叫做動態(tài)RDS(ON)，英飛凌解決這個問題的關(guān)鍵就在于引入了‘P-’，因為動態(tài)RDS(ON)有很多電子在開關(guān)的時候被漏級的電子陷在里面不流通，這樣會造成影響。把‘P-’放在這里之后，表面的電子就可以被中和掉，這樣能夠從技術(shù)的根本來解決問題，這也是為什么英飛凌可以在工藝領(lǐng)域領(lǐng)先的原因?？傮w來講，英飛凌CoolGaN氮化鎵產(chǎn)品的等效電路的柵極是一個阻性的柵極，有一個二極管進(jìn)行自鉗斷式阻性柵極，即阻性柵極內(nèi)部將VGS鉗位到安全范圍。高柵極電流可實現(xiàn)快速導(dǎo)通；穩(wěn)健的柵極驅(qū)動拓?fù)?。這個等效電路提供這些優(yōu)勢的同時，能夠保證非常高的可靠性。目前，這個結(jié)構(gòu)只有英飛凌和松下可以用，這種獨一無二的常閉式概念解決方案是目前業(yè)內(nèi)獲得最長使用壽命，達(dá)到器件高可靠性的理想之選。”鄧巍博士進(jìn)一步補(bǔ)充到。

硅基GaN降成本潛力大導(dǎo)入車載市場時機(jī)已成熟

可靠性之后，作為考量GaN能否在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)MOSFET規(guī)模替代的另一大關(guān)鍵因素，成本也是目前上到器件供應(yīng)商下到整車OEM們合力攻堅的難點。據(jù)統(tǒng)計，2020年GaN器件市場整體規(guī)模有可能達(dá)到約6億美元，屆時一塊6英寸晶圓可加工出大約58萬個GaN，而且目前也有越來越多的廠商開始踏足8英寸甚至12英寸晶圓以進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能。從應(yīng)用的角度來看，考慮到EV和HEV市場（尤其是12V/48V的DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載OBC設(shè)備）計劃將從2019年開始批量采用GaN，因此在可靠性逐步達(dá)到應(yīng)用要求的背景下，如果成本也能夠如EV/HEV生產(chǎn)商的預(yù)期，未來幾年GaN功率器件無疑能夠在EV/HEV領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模放量。

關(guān)乎應(yīng)用成本方面的問題，鄧巍博士認(rèn)為：“雖然從目前來看，氮化鎵器件的價格大約是硅器件的6倍。但如果考慮到系統(tǒng)成本，氮化鎵的優(yōu)勢在于能夠使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加緊湊，這是單個器件成本所體現(xiàn)不出來的，因此在考慮成本時還必須得把整個系統(tǒng)的成本考慮進(jìn)去?！?/p>

業(yè)內(nèi)某資深I(lǐng)C設(shè)計工程師也對此表示贊同，實際上，像Transphorm等少數(shù)幾家廠商現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)aN器件成本做到同等SiC器件的二分之一到三分之一，雖然現(xiàn)階段單比拼成本的話，可能單個GaN器件成本會比Si MOSFET要高上許多。但是按照應(yīng)用來說，用GaN器件做IC設(shè)計其實可以省掉很多的周邊回路，比如車載DC-DC轉(zhuǎn)換器上，外部的很多穩(wěn)壓、隔離和濾波等模塊都能夠被極大的精簡，同時GaN開關(guān)也能夠?qū)⑿酒g的連接線減小到盡可能短的長度，從而能夠最大限度縮短延遲時間，減少多芯片設(shè)計的寄生阻抗。最終，精簡之后的系統(tǒng)集成成本其實跟傳統(tǒng)Si MOSFET器件差不了多少，而且整個BOM的成本都會有所下降。

此外，氮化鎵作為一個新產(chǎn)品來說，隨著未來應(yīng)用及普及數(shù)量的不斷增長，GaN在汽車領(lǐng)域的成本和價格也會快速降低，鄧巍博士告訴記者：“現(xiàn)在很多廠家都在往更大的晶圓上發(fā)展，晶圓更大的話成本又會縮減。再者，不同時代的產(chǎn)品設(shè)計尺寸也會不同，它的尺寸會縮減，這意味著單個晶圓產(chǎn)生的GaN數(shù)量也會更多。這樣各方面的因素相加起來的話，氮化鎵成本的縮減未來幾年會是比較大幅度的，跟硅相比差距變得越來越小。這些變化也會讓越來越多的客戶往這個方向來看，因為有這個優(yōu)勢會慢慢體現(xiàn)出來?！?/p>

另外值得一提的是，如今有越來越多的主流大廠都開始發(fā)力硅基GaN（GaN-on-Si）的量產(chǎn)制備，接下來隨著產(chǎn)能的擴(kuò)增降成本潛力巨大，硅基GaN有望由此成為業(yè)內(nèi)廠商未來幾年在GaN產(chǎn)品線上主打的方案。業(yè)內(nèi)某資深I(lǐng)C設(shè)計工程師認(rèn)為：“就量產(chǎn)方面來講，碳化硅基襯底因其材料特性不能夠支持更大的晶圓，且由于SiC先天的量產(chǎn)制備高門檻特性，未來幾年內(nèi)其成本和產(chǎn)能問題并不見得能改觀多少。而在供貨、價格以及產(chǎn)能上，個人更看好硅基氮化鎵功率產(chǎn)品，因為其成本和量產(chǎn)制備難度都相對更低，在無論是汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器還是更多應(yīng)用上也會有非常高的性價比優(yōu)勢?！?/p>

總之，GaN批量導(dǎo)入車載市場之日已近在咫尺，2019年以后無論是在汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器、OBC車載充電抑或是車載逆變器等應(yīng)用上都將能看到越來越多GaN HEMT的身影。值得注意的是，盡管目前已經(jīng)有不少器件供應(yīng)商開始向汽車市場進(jìn)軍，但編者認(rèn)為可靠性在GaN器件普及應(yīng)用的初級階段仍然將面臨很多的場景化問題，這不僅需要英飛凌、Transphorm這類專業(yè)GaN技術(shù)提供商從工藝和器件自身的角度發(fā)力，更需要整個汽車供應(yīng)鏈各節(jié)點的企業(yè)從應(yīng)用的角度來不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題，共同推動GaN功率器件在車載應(yīng)用領(lǐng)域走向成熟。而關(guān)于成本方面，從量產(chǎn)制備難度和成本下降空間等多個角度綜合考慮，硅基GaN（GaN-on-Si）會是眼下各主流GaN器件供應(yīng)商們在汽車及更多應(yīng)用場景創(chuàng)造價值的最優(yōu)方案，雖然SiC基產(chǎn)品在熱傳導(dǎo)以及封裝等方面會更勝一籌，但綜合性價比未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍難以與硅基GaN媲美，還有待經(jīng)過一段相當(dāng)長的從技術(shù)、工藝到應(yīng)用端的多方磨礪才能成大器。