GaN中高壓應用蓄勢待發(fā)，外延結構扮演重要角色

GaN開始為人所知是在光電LED市場，廣為人知則是在功率半導體的消費電子快充市場。但實際上，GaN最初在功率半導體領域的目標據(jù)說是新能源汽車市場，而非消費電子市場。

“在新能源汽車領域，SiC發(fā)展得早，而GaN并不是發(fā)展得不早，只是一開始應用在LED上，抑制了GaN的技術開發(fā)演進。由于技術上的一些限制，GaN首先在低壓的消費電子快充市場站穩(wěn)了腳跟，再開始隨著車企的導入，逐步打開新能源汽車市場，尤其是在2023年。我認為，2023年是真正的GaN應用元年”，華燦光電氮化鎵電力電子研發(fā)總監(jiān)邱紹諺坦言。

華燦光電 氮化鎵電力電子研發(fā)總監(jiān) 邱紹諺或許可以說，快充應用幫助GaN在功率半導體領域打開了知名度，而且在短期內(nèi)成為GaN市場規(guī)模增長的最主要驅(qū)動力，但中長期來看，汽車、工業(yè)等應用的成長空間顯然更大。

01、GaN的“風火輪”：低壓和中高壓市場

GaN因具有高頻率、高功率密度、體積小等優(yōu)勢，有助于提高充電速度，近年來在手機、筆電、平板等消費電子市場迅速發(fā)展，產(chǎn)品以650V以下低壓低功率GaN器件為主。

自2019年以來，GaN之風席卷了整個消費電子市場，至今仍然是GaN應用場景中占比最高的一個細分市場。短期而言，消費電子市場尚存在一些新的可能性，比如英諾賽科將GaN技術引入手機內(nèi)部充電保護，意味著GaN在消費電子市場還有一些增長的空間。

若放遠來看，隨著更多廠商的加入以及產(chǎn)品的快速普及，GaN消費電子應用領域其實已經(jīng)開始趨于成熟和飽和，市場競爭激烈，未來利潤空間將縮小。據(jù)TrendForce集邦咨詢分析，GaN于低功率消費電子應用已進入紅海市場。

反觀中高壓應用領域，全球氣候變暖、歐洲能源危機下的節(jié)能減碳計劃，加速了汽車電氣化的進程，也推動了光伏儲能等可再生能源相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來對GaN等符合更高性能要求的功率半導體器件的需求將大幅增長。與此同時，數(shù)據(jù)中心、通訊基站等領域也為GaN提供了市場機會，GaN產(chǎn)業(yè)鏈目前正在積極展開布局。

近年來，Transphorm、Navitas、GaN Systems、英諾賽科等GaN廠商早已將目光轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)中心、通訊基站等工業(yè)及汽車市場，此外，在歐盟鈦金級能效要求和中國東數(shù)西算工程背景下，數(shù)據(jù)中心電源和服務器制造商等終端用戶已深刻意識到GaN技術的重要性。

而GaN自身的能力也在向中高壓應用靠攏。目前，中大功率GaN功率器件在性能、可靠性等方面持續(xù)取得新突破，開始隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和成本的有效控制，走向新能源汽車、儲能、數(shù)據(jù)中心、戶用微型逆變器、通訊基站等中大功率市場。

以新能源汽車應用為例，盡管“上車”速度慢于SiC，但在車企和GaN供應鏈廠商的積極導入下，GaN將在汽車650V這一應用中與SiC形成有力的競爭，如DC-DC轉(zhuǎn)換器。不僅如此，Transphorm去年已發(fā)布更高壓的1200V GaN功率器件，未來有望沖擊1200V SiC在汽車應用領域的部分市場份額。

在此背景下，TrendForce集邦咨詢預計，2023年GaN功率元件將在這些中大功率領域大規(guī)模釋放，預估2022到2026年GaN功率元件市場規(guī)模年復合增長率將達到61%。

02、GaN器件特性影響因素：外延結構

技術和成本是決定大規(guī)模量產(chǎn)和應用的關鍵。無論是汽車還是工業(yè)應用，對器件可靠性有著嚴苛的要求，而這也是目前限制GaN落地應用的主要影響因素。目前，GaN在中高壓功率半導體市場還處于產(chǎn)品驗證階段，實際應用案例仍在少數(shù)。

在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，GaN器件特性由外延結構決定，器件的可靠性則與材料質(zhì)量緊密相關。而目前，GaN襯底仍在開發(fā)中，市場上尚未有成熟的GaN襯底，只能使用硅和藍寶石等異質(zhì)接面襯底，這些會造成晶格失配等問題，從而導致GaN器件特性不佳。

現(xiàn)階段，GaN外延主要有兩種結構：D-Mode（耗盡型）和E-Mode（增強型）。

D-Mode結構相對容易制備，制造成本較低，可以實現(xiàn)較高的開關速度（與硅基功率晶體比較）和更低的電流漏失，適用于中高功率和高頻率應用。E-Mode結構制造成本較高，具有較低的靜態(tài)功耗和較好的開關特性，可以實現(xiàn)更高的開關速度和較低的電流漏失。兩種結構晶格與襯底之間的晶格常數(shù)存在較大的失配，導致了較高的雜質(zhì)密度和缺陷密度，但這種結構形成的雜質(zhì)態(tài)和缺陷可以通過合適的摻雜和工藝優(yōu)化來減小。

從結構方向來看，GaN外延主要有水平和垂直兩種結構。

水平結構具有較低的電容、導通電阻及開關損耗，工藝較為簡單。但水平結構存在電流崩塌的現(xiàn)象，導致GaN器件電流承受能力下降，限制了其高功率和高頻率應用的性能。據(jù)邱紹諺介紹，功率半導體器件中，導通電阻與崩潰電壓強相關系。其中，崩潰電壓與外延片厚度成正比。水平式結構氮化鎵器件除了厚度外，加上長板結構可提升器件特性。

垂直結構中具有較大的電流且不存在電流崩塌的現(xiàn)象，可以實現(xiàn)較低的電阻，從而提供更好的功率性能。另外，垂直結構的氣體放電電容較大，在高功率操作時具有更好的擊穿能力和可靠性。不過，目前垂直結構工藝較復雜，器件成本較高。而且，襯底質(zhì)量及晶圓尺寸（2-4英寸）方面受限。

03、華燦光電的解決思路：優(yōu)化GaN外延結構和工藝

在GaN領域，華燦光電正在借助LED芯片領域的技術儲備和工藝經(jīng)驗，從消費電子市場開始滲透，逐步走向汽車、工業(yè)等中大功率電力電子市場。

據(jù)介紹，華燦光電擁有一條GaN實驗研發(fā)線，覆蓋外延生長設備到工藝中的設備，可以實現(xiàn)從外延到芯片的流水，預計今年可實現(xiàn)GaN外延片3萬片的生產(chǎn)能力。

針對GaN HEMT器件結構，華燦光電已實現(xiàn)在6/8英寸硅襯底上無裂紋HEMT外延的優(yōu)化，在表面粗糙度和厚度一致性已達到理想的水準。同時，華燦光電也完成了D-Mode和E-Mode的工藝開發(fā)，目前可實現(xiàn)較好的器件結果和性能參數(shù)。據(jù)稱，華燦光電GaN外延的閾值電壓、耐壓、柵壓容限等靜態(tài)參數(shù)均可對標國內(nèi)外的產(chǎn)品。

產(chǎn)品方面，華燦光電已開發(fā)豐富的650V系列產(chǎn)品，覆蓋不同的電壓和電流范圍，適配多種封裝方式，可匹配手機快充、電腦適配器、服務器電源、光伏逆變器等不同場景的需求。

Souce：華燦光電

面對蓄勢待發(fā)的中大功率應用市場，華燦光電也有了清晰的計劃。一方面，華燦光電將從650V逐步往900V、1200V方向跨越，另一方面則從HEMT分離式器件到整合集成展開布局，多維度發(fā)力以打開更廣闊的GaN中大功率電力電子市場。

（文：化合物半導體市場 Jenny）