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共克时艰,加油GaN!迎接半导体材料的颠覆时刻

2020/2/6 15:14:27     

 

原创: 文立   来源: 是说芯语 

 

2020年初春,令所有人不寒而栗,WHO(世界卫生组织)已将中国本次新型冠状病毒肺炎疫情定义为国际关注的突发公共卫生事件。自2008年经济衰退以来,好不容易全球半导体行业已出现一定增长,处境艰难的半导体公司发现,创造价值和占领正确的市场更为关键。

 

尽管有这次疫情,任何厂商失去中国巨大的市场无异于自毁前程。不管事态如何演变,生活都将继续,中国也一定会战胜疫情,继续向着伟大的新目标前进。

 

其实,与疫情前后脚,功率半导体的变革已初见端倪。关心疫情的同时,不妨看看行业发生了哪些微妙的变化!

 

▲GaN者,干也,不管英文还是汉语拼音,发音相同,只是大写N的代表新型半导体材料氮化镓(GaN)。就在CES 2020上,GaN打响了对硅(Si)战争的新年第一枪。

 

近年来,宽禁带半导体功率器件(GaN和SiC等,这里主要聊聊GaN)凭借诸多性能优势,在航空航天、电力传输、轨道交通、新能源汽车、智能家电、通信等领域显现出取代传统硅器件的苗头。不过,挑战犹存,在各类应用中充分发挥宽禁带功率器件/模块的优势,需要具有可靠性和保护机制的耐高温驱动器;价格比较高也是大批量应用的难点。

 

GaN向硅功率MOSFET发起正面攻击

 

EPC首席执行官兼共同创始人Alex Lidow博士讲了一个故事:44年前,当他第一次开发功率器件时,“兽中之王”是硅功率双极晶体管。1978年,国际整流器公司(IR)推出了功率MOSFET,作为一种更快速度的替代品,它取代了较慢和老化的双极器件。功率MOSFET的早期采用者是两极不够快的应用。其采用的标志性例子是台式计算机开关电源;先是苹果,然后是IBM。

 

直到20世纪80年代中期,功率MOSFET的生产规模才使功率MOSFET的成本与双极晶体管一致。那时,IR发起了对双极晶体管的正面攻击。攻击目标是摩托罗拉,因为它占据了双极晶体管市场最大份额。作为对MOSFET攻击的反应,摩托罗拉最初部署了资源吓唬潜在的MOSFET用户,包括可靠性问题、高价格和不可靠的供应链。

 

尽管受到这些攻击,功率MOSFET仍然在双极晶体管以前占据主导地位的传统应用中获得了认可。摩托罗拉认识到这项新技术的优越性,推出了自己的功率MOSFET,承诺这两项技术“我们都做,所以从我们这里购买”最好。问题是,它没有制造出最好的功率MOSFET,最终,输掉了两种半导体材料之间的战争。

 

历史总是惊人地相似。具有讽刺意味的是,如今功率MOSFET是“兽中之王”,而硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件则是挑战者。这些GaN基功率晶体管和集成电路的早期成功最初来自于GaN与硅相比的速度优势——GaN-on-Si晶体管开关比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。

 

GaN打入主流消费市场

 

不可否认,过去10年中GaN功率市场的驱动力主要是高端高性能应用,厂商为客户提供高频开关、低导通电阻和较小封装尺寸的芯片或模块。2019年,GaN功率电子的情况开始改变了!进入了主流消费应用领域。

 

正如Yole所说,今天,功率电子与化合物半导体行业正迎来巨大变革。在这一市场重新洗牌中,正是由于英飞凌、EPC、Power Integrations、TI等的力推和众多OEM厂商扮演的角色,GaN功率器件正受到汽车行业各OEM和Tier1的关注,并有望渗透到工业和电信电源应用(数据通信、基站、UPS等),迎来一次大爆发。

▲GaN市场长期预测

 

2019年无疑是GaN的重大里程碑,OPPO遇上GaN,首开先河成为全球在手机充电器中导入GaN功率技术的厂商,大充电器终于成为了历史。在手机65W快充充电器中标配PowiGaN™ 技术的GaN芯片标志着GaN功率器件首次进入大规模智能手机市场,并在真正改变GaN功率市场。

 

CES 2020更是GaN的一个引爆点,我们看到更多厂商都采取了相同做法,新产品目不暇接。Anker、AUKEY、amc、Griffin、XinSpower和Belkin等都带来了GaN系列快充充电器新品,尤其是高达100W的GaN快充充电器。

 

 

▲GaN充电器引爆消费市场

 

这些产品的核心GaN器件来自Navitas和Power Integrations。前者的技术称为GaNFast™ Power IC,公司CEO Gene Sheridan解释说:“消费者对移动设备充电缓慢感到沮丧,他们厌倦了随身携带多个笨重的充电器。新一代的GaN充电器将充电速度和效率提高了3倍,体积和重量降低了50%,用一个充电器可为所有移动设备充电。GaN可以取代硅,电力电子技术正在实现一场高速革命。”

 

效率vs速度

 

Power Integrations的技术叫PowiGaN™,其架构极具革新性,因为该器件同时将初级和次级控制器以及检测元件和符合安全标准的反馈机制集成到了单个IC中,可极大简化低压大电流电源的开发和制造,尤其是那些采用紧凑外壳或需要满足高效率要求的电源。公司市场营销副总裁Doug Bailey说:“我们已出货第100万颗采用PowiGaN技术的InnoSwitch™3开关IC。与从事GaN开发的其他公司不同,我们选择将PowiGaN晶体管与已经成熟的InnoSwitch3 IC组合在一个封装中,实现业界领先集成电源控制器的所有组合效益,而不必处理驱动和GaN晶体管的复杂性。”

 

 

功耗vs尺寸

 

我们看到,目前广大手机厂商已在使用65W氮化镓适配器,2020年100W适配器将应市。以300W为分界线,GaN功率器件所扮演的角色有所不同。300W以下的氮化镓功率器件注重便携性,300W以上的功率器件则对效率、温度以及功耗方面的要求更为严格。

 

功率GaN IP雨后春笋

 

功率GaN知识产权(IP)既有高压功率半导体领先者,也有一批强大IP核心厂商和众多新来者,比较知名的有:EPC、GaN Systems、Transphorm、Navitas、Exagan、infinon和ON Semiconductor。如今,越来越多的公司要么加入了这个市场,要么宣布要实现这一目标,要么在申请相关专利,而拥有强大技术和知识产权的公司将在未来几年主导GaN功率市场。

 

 

▲GaN知识产权公司

 

截至2019年,全球针对电力电子应用的GaN技术和器件相关专利和专利申请有9500多项,涉及外延片(GaN-on-Si、GaN-on-Sapphire等)、半导体功率器件(D模式、E模式、垂直器件、p掺杂等)、集成(SiP、SoC、单片集成等)、电路和操作方法(共源共栅、半桥、功率IC等)以及封装(热管理、杂散电感等),适用于所有功能(开关、转换器、整流器、逆变器等)和应用(电源、光伏、EV/HEV、UPS、快速充电、无线充电等)。

 

受益领域日渐广泛

 

▲GaN应用五花八门

 

我们生活在一个数据和能源驱动的世界,越来越依赖包括数据中心、电动汽车、可再生能源系统、工业电机和消费电子产品的行业。长期以来,这些行业一直面临电源转换消耗能源、传统电源生态系统限制整体产品设计尺寸等诸多挑战。现在,不可思议的功率电子创新,正在由GaN功率半导体将不可能变为可能。GaN技术在产品级和系统级重新定义了功率器件,赋予产品全新性能和商业竞争力。

 

那就让我们看看GaN对不同领域的影响几何吧?

 

消费电子有GaN更便捷

 

每年便携式电子设备销量24亿部,快速高效地充电已成为一种显著的竞争差异。时尚的电源适配器和快速的多设备无线充电器已成为从手机到笔记本、家电到工具等设备的消费需求。设计、实用性和能效已经从高端产品发展到电源制造商的日常要求。GaN可以为消费电子产品带来高性能、更好的音质,实现更小的交流适配器和无线充电。

 

GaN功率晶体管通过提高能源效率、减小尺寸和系统成本以及提供结合无线充电和专业音质等新功能的机会,提高了消费电子设备的性能和实用性,如AC适配器减小5倍,无线功率传输提高10倍,降低10倍音频系统抖动。

 

还有无线电源,更大功率的GaN可以满足服务器、通信电源、家电、电视、工业和照明应用市场的需求。比如EPC的采用eGaN®技术的FET可以在无线电源桌面上同时为多个消费电子设备供电,包括电脑、台灯、闹钟、数字助理、手机、可穿戴设备,而完全摆脱了电源线。

 

 

桌上开启的电器都没有电源线

 

数据中心用GaN更节能

 

未来几年,在从80亿台向300亿台联网设备转变过程中,数据中心运营商及供应商需要在全球采取不同的思考和行动。随着物联网、可穿戴设备和机器学习将我们推向一个更加数据密集型的社会,需要重新考虑数据中心的风险、设计、电源和可持续性,以实现财务目标和全球企业责任。目前全球800万个数据中心占世界能源使用的2%,且将迅速上升至5%。

 

 

谷歌技术创新新数据中心需要大量海水来冷却

 

按照目前的标准,虽然大多数数据中心都被认为是相对节能的,但数据中心能效每提高0.5%,就意味着能源效率的显著提升,必须加以利用。GaN可以实现更小、更高效和更低成本的电源设计,功率密度增加50%,功率损耗和系统成本分别降低40%和15%。这不仅意味着更高的服务器密度和更高的每机架收入,还意味着由于数据中心能耗的降低而节省运营成本。数据中心设计最佳实践可以延迟数据中心的建立,因为现有的资源可以处理更大的数据负载。在可预见的将来,数据中心将从日趋成熟的GaN器件机器成本竞争力获益,并满足不断提升的效率要求,这将让GaN实现更广的市场渗透。

 

现代制造需要GaN

 

伴随不可避免演变到工业4.0智能工厂,现代制造企业需要应对新技术和能源需求。越来越多的自动化机器人和机动化生产线的用电和用电成本不断上升。这意味着,如果制造商希望保持竞争力,就需要制定新的操作规程。为了降低成本和增加收入,整个工厂都需要提高能源效率。为了保持24/7的连续运行,需要更简单、更可靠、更强大的各种机械电机驱动装置。

 

目前全球30%电力用于工业电机和运动控制,电源设计有助于支持下一次工业革命,包括消除风扇、过滤器和屏蔽电缆;更高效的电机驱动、机器人和LED照明。GaN半导体能够设计和生产减小50%的电动机驱动器,提高30%能源效率,降低25%系统成本,而且滤波更加容易,能够在工厂使用较长长度和较低成本的非屏蔽电缆及远程无线充电。此外,无线充电和更长运行时间的机器人正在提升制造和仓库效率。

 

随着越来越多的机器人和自动车辆进入工厂和其他工作场所,为这些日夜工作的机器充电变得更重要。虽然无线充电手机正变得越来越普遍,但大型仓库机器人不能像手机放置得那么精确。要解决更大充电面积和充电距离,就要更高的功率和频率。与硅相比,GaN在高频下表现最好,减少了热管理所需的成本和面积。硅适合5-10瓦的低功率充电器,要达到上千瓦,效率变得非常重要,因为谁都不希望每一瓦特作为热量损失掉。GaN高频电子器件可让机器人摆脱任何电缆,具有360度自由度,在多个地点充电,每天充电多次,无需花费时间对接,无需工作人员干预。

 

基于GaN器件的高功率和高频能力可远距离无线充电

 

汽车需GaN来优化

 

在现代文明的工业化进程中,全球运输业正在经历一场与蒸汽机一样剧烈的变革。过去几年,全球电动汽车和混合动力汽车的数量迅速增加,并继续加速。预计2040年电动汽车将达到6,500万辆。随之而来的电力消耗将增加30,000%——达到1,800 TWh,占全球电力的5%。这将需要提升电动汽车效率、降低汽车充电电价及新的存储和高效解决方案。

 

利用GaN半导体为汽车工业的创新提供动力,能够实现更小、更高效和更低成本的电力系统,增加3倍功率密度,分别降低功率损耗和系统成本50%和20%。对于汽车来说,这意味着更小、更轻的电池、便利而有效的充电性能、更远的行驶里程、可持续和更有趣。

 

GaN Systems战略营销副总裁Paul Wiener表示,电动汽车被认为是一项绿色技术,而GaN在电动汽车和自动驾驶汽车市场都有着广泛的应用,包括车载蓄电池充电器(OBC)、DC/DC转换器和牵引逆变器。在所有这些应用中,客户都可获得3-5倍尺寸和重量的减少,并将运营效率提高几个百分点。最有趣的是,与硅相比,GaN的系统成本通常不高。这些改进为电动汽车厂商提供了一些好处,包括行驶里程和更小、成本更低的电池;且由于系统更小,可以用风冷而不是水冷,因此为车内优化系统布局提供了新的设计自由度。

 

 

▲22 kW电动汽车车载充电器

 

汽车动力总成技术的最新发展推动了48 V和12 V总线在轻度混合动力汽车中的应用,从而降低8-15%的燃油消耗。但其挑战是转换器需要满足3 kW的功率等级,GaN恰恰可以做到。因此,GaN正在吸引OEM和一级供应商的关注,如汽车行业的法雷奥和大陆集团,因为对轻度混合动力汽车的新兴48V DC/DC电源,还有电动汽车的车载充电器来说,GaN是一个很诱人的东西。EPC和Transphorm等厂商已经获得了AEC认证,GaN Systems也获得了宝马集团i Ventures的投资。

 

▲GaN器件适用于汽车应用

 

去年10月的东京车展上,由名古屋大学未来材料与系统研究所与丰田先进电力电子技术研究部共同开发的全氮化镓汽车(All GaN)曝光,其牵引逆变器的氮化镓将效率提高了20%,从而提升了电动汽车一次充电续航里程;DC-DC转换器系统尺寸减小了75%;车载氮化镓充电器可以为LED照明和夜间驾驶提供电力。

 

EPC在CES 2020上展示的基于eGaN FET的激光雷达系统可作为自动驾驶汽车的“眼睛”,因为eGaN FET触发脉冲产生大电流窄脉冲,可实现更高的分辨率及脉冲电流,使激光雷达系统可以看更远的景物。这两个特性加上GaN元件的超小尺寸,使之成为激光雷达应用的理想元件。

 

vs氮化镓

 

▌5G打开GaN应用之门

 

据预测,2024年全球GaN射频器件的市场规模将超过20亿美元,其中无线通信和军事应用占据绝大部分。5G的到来将推进半导体材料革命性的变化,硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓都将获得快速发展。2G到5G,通信频率不断提升,基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也水涨船高。在此背景下,GaN将以其独特的高频特性、超高功率密度和优异的集成性成为5G技术的核心器件。

 

 

▲5GGaN应用大户

 

Paul Wiener敦促全球设备供应商在2020年开始用GaN生产更节能的5G套件,此举可能为运营商节省数百万美元的能源成本。他表示,全球四大供应商中有两家正准备部署采用GaN晶体管而非传统硅器件的设备。他解释说,此举将提高能源效率,在小基站出现前一年首次部署大型基站设备。他说,到2021年,四大厂商都将在网络设备中使用GaN晶体管。

 

虽然晶体管可能不会得到运营商很多关注,但这种转变有可能为运营商节省数额惊人的资金。他解释说,GaN晶体管的工作速度比硅晶体管快得多,而且比硅晶体管更节能。在硅晶体管提供约90%效率的情况下,GaN产品的能效可达96%以上。

 

专门从事新型半导体工艺的Soitec全球策略执行副总裁Thomas Piliszczuk博士自信地表示,GaN外延片(切割芯片的半成品)将引领5G技术风潮,因为在蜂窝基站(大于5 W功率放大器)中,GaN在5G毫米波方面具备优势,正逐渐成为4G/5G应用主流(大于6 GHz和毫米波)。

 

 

▲GaN5G毫米波方面具备优势

 

另外,随着5G迎来万物互联,推动数以百万计传感器市场的应用,配合5G的发展,需要可靠、安全的自动电源——无线电源。EPC展示的面向5G应用的无线电源可以穿过玻璃窗及墙壁为设备供电。

 

▌GaN提升可再生能源效率

 

2020年后,全球电力消费量的19%以上将来自可再生能源。阻碍电力行业发展的障碍是缺乏可扩展和可负担得起的技术解决方案,无法有效转换和储存电力,无论是太阳能、风能、水力或其他能源。对于可再生能源行业,GaN功率晶体管能够设计出更简单、更小更轻、成本更低、效率更高的储能系统,以及硅无法实现的双向功率流结构,使功率密度增加20%,功率损耗和系统成本分别降低50%和10%。

 

 

可再生能源离不开功率转换和储存

 

航天器GaN身在其中

 

IEEE终身院士Steve Taranovich在介绍航天器中的电源管理时说,GaN、SiC和金刚石等宽禁带半导体有望成为自发现硅以来未来电子元件最有前途的材料。因它们在高射频输出功率、抗辐射能力、高温和高频操作、光学特性甚至低噪声能力方面具有巨大优势。因此,宽禁带器件对下一代星载系统的发展具有重要战略意义。

 

他强调,增强型氮化镓是空间关键电源的首选电源驱动器,它是为空间而生的材料,满足空间飞行器三个最重要的元素——尺寸、重量和功率效率,而且很可靠。

 

电源通常比航天器上的大多数设备都重。GaN功率器件可以实现最佳效率,在功率管理体系结构中尺寸最小,因为以非常高频率运行,从而减小了设计中的磁性元件(包含铁/金属芯的变压器和电感)的尺寸。更轻的重量也意味着在发射时减少了摆脱地球引力的燃料消耗,等于降低了成本。GaN还具有EMI优势,可以作为电路板上的发射和接收天线。在火星2020探测器的太阳能电池板中,GaN已作为输出、功率转换和电池充电使用。

 

 

卫星上的太阳能电池板

 

NASA研究认为,GaN是一种奇异的材料,有望成为电力电子器件的首选半导体,因为它比硅效率高得多,非常看好在太空中的潜在应用。

 

 

▲NASAGaN有望成为航天电力电子首选半导体

 

欧洲航天局(ESA)也已认识到,空间电力系统需要发电、调节、储存、分配和转换,为此大力投资GaN技术,已通过基础技术研究计划制造出6×6 mm的原型GaN芯片,将高功率放大器、低噪声放大器、发射-接收开关和校准耦合器集成在一个芯片上。ESA称,氮化镓是继硅之后最有前途的半导体,并一直通过GaN可靠性增强和技术转让倡议联盟实现GaN工业化。

 

 

▲ESA已制造出6 x 6 mm的原型GaN芯片

 

值得一提的是,一些公司(如Integra Technologies和Qorvo)也在开发大于65V以上工作电压的GaN器件,以取代增加系统复杂性和成本的真空电子器件,满足航空航天、防御雷达、卫星通信和工业、科学和医疗系统对更加可靠、坚固器件的需要。Integra Technologies的高压GaN可以达到数千瓦功率水平。现在GaN器件性能每年都在提高,却远没有接近其性能上限,制造商发现更好的外延工艺、晶体管配置和封装解决方案更有利于改善散热问题,从而开发出更可靠、更强大的技术,满足未来各种大功率设备的需要。

 

价格已不在话下

 

还没有采用GaN技术的,其说辞总是GaN价格还高。其实GaN应用以来,成本不太敏感的4G/LTE基站的RF包络跟踪、汽车、机器人、无人机和安全系统的光探测和测距(lidar)系统,当然还有国防军工、航空航天,成为了充分利用GaN高速开关能力的第一批批量应用。随着产量的不断增加,现在GaN功率器件的价格与较慢、较大和老化的功率MOSFET器件已相差不多。

 

 

▲20194月额定100 V eGaN FET(红圈)vs同等额定功率MOSFET价格

 

前不久,Thomas Piliszczuk博士在接受时更是语出惊人:“GaN成本将下降数倍,大规模应用指日可待。”因为该公司的GaN外延片技术带来了设备级的切割工艺创新。至于切割细节他并未透露,只说与切割硅的工艺一样,但利用特殊工艺可以切得更薄。那么,原来做一个芯片的材料,现在可以做十个,这就可以让高大上的芯片走入寻常应用。另外一些降低成本的方法是提高良率,采用更大尺寸晶圆等。

 

放眼未来

 

总体来看,全球每个市场的电力需求都在增加,预计将从目前的25,000 TWh增加到2050年的38,000 TWh。在行业层面,全球有800万个数据中心使用了全球2-3%的能源,预计这一比例将升至5%以上;工业电机消耗了30%;到2040年,电动汽车将成为全球能源消耗最大消费者,超过5%。

 

GaN,还有SiC有助于降低所有这些系统的损耗,正在逐渐取代硅器件。我们期待,像业界预测的那样,到2027年,GaN和SiC的合并市场价值超过100亿美元。

 

现在,正是GaN正面进攻硅的时刻!是时候让一个更年轻、更合适的挑战者接管半导体材料的主导地位了!


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