GaN功率器件的发展现状

时间： 2022-08-29 来源：时代速信

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GaN功率器件,GaN-on-Si晶圆,GaN-on-Si开关模式Boost转换器,增强型GaN功率晶体管

时代速信谈市场和行业发展现状

据Yole Developpement的报告“Power GaN 2012”，GaN功率器件有巨大的市场空间，2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增加8.1%，达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速发展期，到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。

目前，50%功率器件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注GaN的新进公司（如：EPC、Transphorm和Micro GaN等）外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流业态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前，对GaN功率器件企业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。

技术发展现状

1、GaN-on-Si材料

目前，4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化，一些科研机构和公司相继报道了8英寸GaN-on-Si晶圆的研究成果。2012年新加坡IMRE报道了200mm AlGaN/GaN-on–Si（111）晶圆。同年，新加坡The Institute of Microelectronics和荷兰NXP宣布合作开发了200mm GaN-on-Si晶圆及功率器件技术。比利时IMEC、美国IR、美国IQE、日本Dowa和德国Azzurro等公司也正在开发200mm GaN-on-Si外延技术。

现在4英寸及以上的大直径硅衬底上生长GaN外延技术正在快速发展并终会走向成熟，目前面临的主要问题如下：一是失配问题，硅衬底与GaN之间存在晶格常数失配、热膨胀系数失配和晶体结构失配。二是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。三是硅衬底上Si原子的扩散问题，降低了外延层的晶体质量。

2、器件技术

提高击穿电压

理论上在相同击穿电压下，GaN功率器件比Si和SiC功率器件的导通电阻更低，但是目前其性能远未达到理论值。研究发现主要原因是器件源漏间通过纵向贯通GaN缓冲层，沿Si衬底与GaN缓冲层界面形成了漏电。因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在以下三个方向：改进衬底结构、改进缓冲层结构、改进器件结构。

实现增强型（常关型）器件

基于AlGaN/GaN结构的器件是耗尽型（常开型）器件，而具有正阈值电压的增强型（常关型）功率器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等，是功率系统中的首选器件。因此，对于GaN功率器件而言，增强型器件实现也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用凹槽栅、p-GaN栅和氟离子注入等方法直接实现增强型，另外，使用Cascode级连技术间接实现常关型。

抑制电流崩塌效应的方法主要有以下几种

表面钝化，表面钝化的问题是钝化工艺比较复杂，重复性较低，并不能完全消除电流崩塌效应，对器件的栅极漏电流和截止频率有影响，增加了器件的散热问题。
场板，2011年，美国HRL用三场板结构结合SiN钝化，实现了高耐压低动态电阻的Si基GaN功率器件，开关速度5us测试状态下，器件350V时动态与静态Ron之比1.2，600V时两者之比1.6。
生长冒层，如使用p型GaN冒层来离化的受主杂质形成负空间电荷层，屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响。该方法材料生长过程相对简单，易控制，但是增加了工艺难度，如栅极制作过程比较复杂。
势垒层掺杂，该方法增加了沟道电子浓度，或者减少了势垒层表面态密度，一般此种器件都生长了一薄层未掺杂的GaN或AlGaN冒层。

制造工艺

GaN功率器件制造工艺与现有Si制造工艺兼容，是促进GaN功率器件产业化和广泛应用一个重要因素。开发与现有Si制造工艺兼容的GaN功率器件制造工艺的关键在于开发无金工艺。2012年，在ISPSD年会上IMEC报道了在8英寸GaN-on-Si晶圆上通过CMOS兼容无金工艺结合凹栅工艺制造的增强型GaN功率晶体管。2012年，在ISPSD年会上IMB-CNM-CSIC报道了在4英寸Si上使用CMOS兼容无金工艺制作了MIS-HEMT和i-HEMT。开发无金工艺最近几年受到了学术界和工业界的极大关注，是降低成本以实现大批量生产和大规模商业化应用的重要途径。

3、功率集成技术

形成独立且完整的包括GaN功率核心器件、器件驱动、保护电路和周边无源器件在内的直接面对终端应用的功能性模块，是目前GaN功率器件的发展方向。高度集成化的GaN智能功率集成技术将实现传统Si功率芯片技术所达不到的高性能、高工作安全性、高速和高温承受能力。在发展GaN功率器件技术的基础上，开发功率集成技术正逐渐成为近年来GaN研究领域的另一个热点。2008年，美国IR公司发布了基于Si衬底的GaN POL转换器，输入电压12V，12A的负载电流时输出电压1.2V，工作频率6MHz。2009年，美国MIT报道了利用晶片键合和选择性刻蚀制备出Si-GaN-Si晶片。2009年，陈万军等人报道了GaN-on-Si开关模式Boost转换器，K Y Wong等人成功实现了高压功率器件和外围低压器件的单片集成。2010年，Transphorm发布了分别基于AlGaN/GaN-on-Si和Si Sj-MOSFET的800KHz 220-400V Boost转换器。

4、可靠性

随着各项器件技术的不断进步，GaN器件已逐渐从实验室向工业界转移，可靠性已成为各界普遍关心的问题。相对于硅功率器件技术，GaN功率器件的可靠性和稳定性研究还相对滞后，器件退化规律、失效机制与模式、增强可靠性方法等虽有一些研究报告，但远不能满足器件走向大规模实际应用阶段的需要。

影响GaN功率器件可靠性的原因比较复杂，包括材料质量、器件结构和器件工艺等多个方面，根据功率器件的工作模式特点和工作环境，GaN功率器件的可靠性研究重点主要包括以下几点：

栅泄漏电流与表面状态
栅金属退化
高电场和高温下热电子/热声子效应
材料质量

产品相继推出：

随着GaN功率器件的成本降低、电气特性提高和周边技术的扩充，利用GaN功率器件的环境目前正在迅速形成，从2011年下半年至今已有很多企业相继推出了产品，并开始供货GaN功率器件，利用该器件的周边技术也越来越完善。

美国EPC：2012年之前推出了耐压（40-200）V的系列产品；2013年5月EPC发布了开发板EPC9004，该板使用了200V的eGaN器件EPC2012，已开始供货；2013年6月EPC发布了降压变换器演示板EPC9107，该演示板使用了eGaN器件EPC2015和TI的栅驱动LM5113，已开始样品供货。美国Transphorm：在2012年发布了耐压600V的GaN类功率二级管、功率晶体管和功率模块；2013年5月，产品TPH3006PS、TPH3006PD、TPS3410PK和TPS3411PK已开始销售，把通过JEDEC标准的600V的GaN晶体管TPH3006PS用于电源设计，电源效率达97.5%。日本Fujitsu：2012年11月发布成功实现2.5KW的基于GaN功率器件的服务器电源单元；2013年7月展出了耐压30V、150V和600V三款Si基GaN功率器件，已开始样品供货，同时展出了采用600V耐压产品的服务器电源试制品。

虽然GaN功率器件的实际性能与理论上的性能还存在差距，但就目前器件及其功能电路的测试结果来看，相比传统Si技术已具备十分明显的性能优势，随着GaN功率器件的材料质量、器件技术、功率集成技术和可靠性的逐渐成熟，GaN功率器件很有可能取代Si功率器件，成为功率电子应用中的首选技术方案。

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型号- CRSM076N04N2Z,CRXB10D065G2,CRTD080N02U2-G,CRMV0318D,CRTT048N08N,CRG75T60AK3SD,CRTS030N04L,CS4N90FA9HD,CRJL99N65G2,CS630FA9H,CRTS025N04L2-G,CRXQ40D065G2,CS4N80ARHD-G,CS630FA9R,CR7N60A4K,CS55N10AQ3-G,3DG3001A1-H,CS16N06AE-G,CS45N06A3,CRMM4976C,CRTK055N03L2P,CS45N06A4,CRTS150N15N,CS5N20A4,CS5N20A3,CS7N70A4R-G,CRGMF800T120DS1AH,CRJW125N60G2F,CRGMF50T120FSC,CS12N70FA9H,CRG30T65A05SDZ,CS50N20ANR,CRJT99N65G2,2CR60K60AND,CRXQF60M065G1,CRTD370P10L,CRSS056N07N,CR7N60A3K,CS460FA9H,CRGMP40T120DV2A3,CRG75T60AK3H,CRJQ30N60G2F,CRJF550N65G2,D92-02,CRTD055N03L,CS24N60ANR,CRM50TD04R1,CRMM4978C,CRTT056N06N,CS5N60A3H,CS4N65A3R,CRST113N20N,2CR15K120A8C,CRG75T65BK5HD,CRXB20D120G2,CRTT019N03L2-G,CRM50TA04E1,CRTH105N06L,CR2N60A4K,CS10N40A8R,CRMR0410D,CRG 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CorEnergy（能华半导体）外延片和功率器件选型指南

描述- 作为行业领先的以氮化镓功率器件为主的IDM公司，目前公司的产品线涵盖氮化镓外延片、氮化镓功率场效应管、氮化镓集成功率器件以及氮化镓芯片代工等。As a leading IDM company in the industry mainly focused on GaN power devices, the company's product portfolio currently covers GaN epitaxial wafers, GaN power field-effect transistors, GaN integrated circuits, and customer-specified GaN foundry services.

型号- CE65H900TOBI,CE65E160DNHI,CE65H270DNFI,CE65H600TOGI,CE65H160DNFI,CE65H600TOEI,CE65H160TOAIF,CE65E300DNYI,CE65H070TODI,CE65H160DNHI,CE65H270DNHI,CE65D150DNBI,CE65H270TOBI,CE65H270TOHI,CE65H270DNGI,CE65H900TOEI,CE12E075DNHI,CE65H110DNDI,CE65H160DNGI,CE12H160DNFI,CE65H600TOHI,CE65H160TOFIF,CE65H070TOCI,CE65H600TOBI,CE65E160DNYI,CE65H900TOGI,CE65H270TOGI,CE65H110TOFI,CE90E075DNHI,CE65H270TOEI

2023/4/20 - CORENERGY - 选型指南代理服务技术支持批量订货

胜金微电子（SMST）时钟芯片/漏电保护器/数字隔离器/功率器件选型指南

描述- 杭州胜金微电子是一家专业从事高端集成电路芯片研发、销售、应用及服务的高新技术企业。公司拥有芯片研发及应用人员100+，并拥有集成电路相关专利近100项。公司围绕安全环保、绿色节能的开发理念布局了高端时钟、数字隔离器、电源管理、GaN功率器件等，主要应用于新能源、5G通讯、工业控制等领域。可为客户提供定制化产品和解决方案。

型号- SMST5381＿X,SMST5341＿X系列,SMST5351B,SMST539X,SMST5351A,SMST5351C,SMST5341＿X,SMST624X,SMST5330X系列,SMST532XX,SMST52112,SMST650D350,SMST530＿X,SMST52112＿X系列,SMST510＿X系列,SMST695X,SMST784X,SMST54133,SMST683X,SMST710X,SMST754X,SMST621X,SMST69XX,SMST54123L,SMST697X,SMST786X,SMST63XX,SMST714X,SMST65XX,SMST52112＿X,SMST30C,SMST650D200,SMST530＿X系列,SMST54123,SMST650D240,SMST120C,SMST100C,SMST54123F,SMST758XX,SMST54X,SMST532XX系列,SMST696X,SMST684X,SMST650D600,SMST781X,SMST54123A,SMST650D800,SMST5147B,SMST622X,SMST755X,SMST610X,SMST654X,SMST5145,SMST626X,SMST715X,SMST5146,SMST614X,SMST658XX,SMST5147,SMST650D140,SMST510＿X,SMST650DXX,SMST5381＿X系列,SMST782X,SMST623X,SMST534X,SMST68XX,SMST655X,SMST538X,SMST64XX,SMST615X,SMST5159,SMST5152,SMST150C,SMS5901,SMST5154,SMST5330X,SMST60C,SMST650D190,SMST650D500,SMST650D100,SMST662X,SMST56X,SMST650D2K2,SMST682X

2023/8/8 - 胜金微电子 - 选型指南代理服务技术支持批量订货

杭州胜金微电子是一家专业从事高端集成电路芯片研发、销售、应用及服务的高新技术企业。公司拥有芯片研发及应用人员100+，并拥有集成电路相关专利近100项。公司围绕安全环保、绿色节能的开发理念布局了高端时钟、数字隔离器、电源管理、GaN功率器件等。

时钟发生器晶体振荡器 PCIE时钟时钟缓冲器容隔离器 GaN HEMT 漏电保护器运算放大器 AC-DC 正电压输出三端稳压电路负电压输出三端稳压电路输出可调稳压电路音频功率放大集成电路霍尔电路 TVS

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【IC】时代速信发布Ku波段高线性氮化镓功率放大器芯片，连续波下功率增益大于24dB

深圳市时代速信科技有限公司日前推出一款13-15GHz氮化镓功率放大器芯片SX1913，芯片面积3.8mmx6.3mm。在连续波情况下，功率增益大于24dB，输出功率大于50W，典型饱和效率45%。在回退至25W输出功率时，三阶交调系数优于-25dBc，漏极电流约为2.6A。性能达到业内先进水平，目前该芯片已经实现批量交付。

2024-08-27 - 产品代理服务技术支持批量订货