硅功率器件要想獲得市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)該怎么做

硅功率器件現(xiàn)正開(kāi)始達(dá)到其性能改進(jìn)被抑制的階段，不可避免的結(jié)論是來(lái)自硅進(jìn)一步支持的技術(shù)演進(jìn)的能力逐漸減弱?，F(xiàn)在明確地需要實(shí)質(zhì)上的具有顛覆性的技術(shù)。

要獲得市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)用，功率半導(dǎo)體必須能提供以下性能組合：

· 高電源轉(zhuǎn)換能效

· 高功率密度/緊湊的尺寸

· 快速開(kāi)關(guān)

· 成本效益

GaN極其滿足所有上述標(biāo)準(zhǔn)——一些現(xiàn)在就可以做到，另一些正在不斷提升中。

GaN設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)大起底

GaN是第三代半導(dǎo)體材料，相比于第一代的硅（Si）以及第二代的砷化鎵（GaAs）等，它具備比較突出的優(yōu)勢(shì)特性。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場(chǎng)，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

也就是說(shuō)，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件。

在任何電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，某種程度的電源轉(zhuǎn)換損耗將是固定的，但由于其寬帶隙，GaN明顯比硅表現(xiàn)出更低的損耗，即更好的電源轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)镚aN片可比等效的硅片更小，基于此技術(shù)的器件可被置于尺寸更小的封裝規(guī)格中。由于其高流動(dòng)性，GaN在用于要求快速開(kāi)關(guān)的電路中能效極高。

下圖中顯示了GaN HEMT器件的物理結(jié)構(gòu)和它如何類似于現(xiàn)有的MOSFET技術(shù)。GaN中的側(cè)向電子流同時(shí)提供低導(dǎo)通損耗（低導(dǎo)通阻抗）和低開(kāi)關(guān)損耗。而且，提高的開(kāi)關(guān)速度也有助于節(jié)省空間，因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/4-5/" target="_blank">電源電路所含無(wú)源元件可以更少，配套的磁性元件中使用的線圈可以更小。此外，GaN提供的更高的電源轉(zhuǎn)換效率意味著更少的散熱量——減小了需要分配給熱管理的空間。

GaN與硅制造工藝之間的相似性

電力需求推動(dòng)技術(shù)革新

GaN處于有利地位，可從已為硅器件到位的制造設(shè)施中受益。只需使用相同的設(shè)備，添加幾個(gè)簡(jiǎn)單的工藝步驟，就可應(yīng)用于現(xiàn)有的6英寸和8英寸的CMOS硅制造工藝，而且，一旦容量需求成為必要，可擴(kuò)展至12英寸工藝。

隨著標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅制造轉(zhuǎn)為更大尺寸的晶圓，對(duì)傳統(tǒng)的最初用于硅器件的制造設(shè)施繼續(xù)工作是一個(gè)真正的機(jī)會(huì)（否則會(huì)變得多余）。這意味著舊的芯片生產(chǎn)基地通過(guò)切換輸出氮化鎵而將獲得第二次新生。

通過(guò)這樣的方式降低成本，新的渠道將開(kāi)始為GaN打開(kāi)。正如60年代末和70年代初為硅基IC所做的那樣，市場(chǎng)將滾雪球——GaN的需求增加將導(dǎo)致更多的產(chǎn)量和更低的單位成本。

GaN將不再被看作小生態(tài)半導(dǎo)體技術(shù)，僅僅簡(jiǎn)單地在較小的制造場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)室制造，而是將成為商業(yè)可行的解決方案，可通過(guò)大規(guī)模方案生產(chǎn)器件從而能達(dá)到與硅一致的價(jià)位。

總之，電力需求超越了長(zhǎng)期的半導(dǎo)體技術(shù)，而且必須做些什么來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)應(yīng)用于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，GaN有能力使性能發(fā)生巨大的改善而超越硅器件可實(shí)現(xiàn)的性能。因此它必定在電力電子的新時(shí)代發(fā)揮巨大的作用——向工程師提供更高能效、更小外形因素和更快開(kāi)關(guān)速度的器件。得益于技術(shù)的重大改進(jìn)，將有可能降低GaN生產(chǎn)的費(fèi)用。因此我們現(xiàn)在處于這樣一個(gè)階段，GaN終于可被看作一種準(zhǔn)備量產(chǎn)的工藝技術(shù)。

Transphorm通過(guò)與日本富士通公司的合作，使之能夠滿足全球?qū)Φ壒β兽D(zhuǎn)換產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求。Transphorm公司符合JEDEC認(rèn)證的制程與富士通半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行整合，并導(dǎo)入富士通半導(dǎo)體福島會(huì)津的6寸CMOS制程產(chǎn)線，為高產(chǎn)量的硅芯片制造提供多項(xiàng)關(guān)鍵功能提升。GaN電源器件運(yùn)用CMOS制程產(chǎn)品線投入量產(chǎn)，可為GaN電源器件廣泛普及帶來(lái)長(zhǎng)足且關(guān)鍵的進(jìn)程。未來(lái)還將持續(xù)提升富士通半導(dǎo)體的高質(zhì)量制程技術(shù)，確保穩(wěn)定的供貨，并將GaN電源器件的全新價(jià)值推廣到全球市場(chǎng)。

關(guān)于Transphorm

富士通電子旗下代理品牌 Transphorm，是一家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)氮化鎵功率轉(zhuǎn)換器和模塊的企業(yè)。 2007年成立，Transphorm以美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的教授和研究人員為主體，致力于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)GaN（氮化鎵）功率轉(zhuǎn)換器和模塊，已獲得了包括谷歌、富士通、凱鵬華盈、考菲爾德及拜爾斯、索羅斯基金管理公司、量子戰(zhàn)略合作伙伴在內(nèi)的眾多投資機(jī)構(gòu)的青睞。 2013年，Transphorm推出了當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)唯一經(jīng)過(guò)JEDEC認(rèn)證的GaN器件，建立了業(yè)界第一個(gè)也是唯一通過(guò)JEDEC認(rèn)證的600V GaN產(chǎn)品線。 2014年2月，Transphorm與富士通半導(dǎo)體的功率器件業(yè)務(wù)部進(jìn)行了業(yè)務(wù)合并，Transphorm負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、富士通半導(dǎo)體負(fù)責(zé)制造并代理銷售。 2015年，Transphorm和安森美建立合作關(guān)系，共同推出基于GAN的電源方案。公司創(chuàng)立十多年來(lái)，Transphorm一直專注于將高壓GaN FET推向市場(chǎng)。致力于為電力電子市場(chǎng)（數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、PV轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)/伺服電機(jī)、工業(yè)及汽車等商業(yè)供電市場(chǎng)）設(shè)計(jì)、制造和銷售GaN產(chǎn)品。 2017年3月，又推出了市場(chǎng)上僅有的一款經(jīng)過(guò)AEC-Q101認(rèn)證的650V車用GaN器件。