在更快、更省电系统的发展推动下，（GaN）基元器件市场正在走热。

　　今天，GaN广泛用于LED的生产，它在射频（RF）市场也正在加速布局。GaN基功率半导体市场在经过几次失败的预热启动和令人失望的结果之后，终于开始起飞。

　　2010年，供应商发布了第一波基于GaN技术的功率半导体。但直到最近，这种产品的可用性依然不高，价格也高昂不下，GaN技术一直在寻找理想的应用空间。

　　然而现在，GaN基功率半导体器件正在电源市场上攻城拔寨。随着时间的推移，这些器件预计将逐步应用到电动汽车、移动设备的快速充电适配器、无线充电和其他系统中。

　　“对GaN的需求无处不在，”GaN功率半导体市场的先驱之一高效功率转换（EPC）公司的首席执行官Alex Lidow说。“最大的应用是LiDAR（激光雷达）、4G/5G LTE基站的信号跟踪、用于服务器和电信设备的DC-DC转换器。无线充电市场现在仍然很小，但我预计，到2020年它将成为我们的三大应用之一。”

　　GaN功率器件和其他类型的功率半导体用于功率电子领域。基本上，功率电子设备利用各种固态电子部件，在从智能手机充电器到大型发电厂的任何事物中，更有效地控制和转换电能。在这些固态部件中，芯片处理开关和电源转换功能。

　　对于这些应用而言，GaN是种理想的选择。GaN基于镓和III-V族氮化物，是一种宽带隙工艺，意味着它比传统的基于硅的器件更快，而且能够提供更高的击穿电压。

　　问题是，一般来说，硅基功率半导体可以为许多应用提供足够的性能，而且比GaN更便宜。 此外，GaN基功率半导体器件是采用相对更加昂贵且复杂的硅基氮化镓工艺制造的。

　　市场研究公司IHS的分析师表示：“GaN半导体已经开始在整个功率半导体市场中取得一些进展，但直到目前为止，它的市场规模依然很小。“最大的挑战来自于价格、技术的接受度和（需要更多的）教育/支持。

　　据报道，电源模块和功率分立器件的市场总额预计将从2015年的119亿美元增长到2016年的127亿美元，在2016年的整个127亿美金中，基于GaN的功率半导体业务预仅有1000万美金，虽然起点很低，但Yole预计该业务从2016年到2021年将以每年86%的速度增长。

　　预计GaN基功率半导体市场将飞速增长，这种形势已吸引许多公司进入这个市场。根据报道，EPC、GaN系统、英飞凌、松下和Transphorm已经开始出货这种器件。 此外，Dialog、恩智浦、安森美半导体、TI等公司正在开发GaN基功率半导体器件。

　　除了这些设计公司之外，还有两家代工厂-台积电和稳懋半导体能够提供GaN工艺。现在，台湾联华电子的一个业务部门Wavetek也计划进军GaN代工业务。

　　什么是功率半导体？
　　功率半导体被设计用来提升系统的效率以及减少能量损失。可是实际上，出于两个方面的原因-传导和开关切换，设备可能会出现能量损失。根据松下的说法，传导损耗是因为器件本身存在阻抗，而开关损耗则发生在on和off状态间。

　　因此，业界的想法是寻找到一种阻抗更低、开关速度更快的晶体管技术。除了这两个因素之外，原始设备制造商还会考虑电压、电流、负载、温度、芯片尺寸、成本等因素。

　　今天，有几种可供选择的功率半导体技术。入门级市场需求由传统功率MOSFET满足，它用于10V-500伏的应用。功率MOSFET基于垂直晶体管架构，在20世纪70年代开发问世。

　　功率半导体厂商之间的厮杀主要集中在两个中档电压区段 - 600伏和1200伏。这种电压区间的主要应用包括适配器、汽车、开关电源和太阳能逆变器。

　　针对这种电压区间的应用，原始设备制造商有四种选择，包括两种硅基解决方案和两种宽带隙技术解决方案。其中，超级结功率MOSFET和IGBT是目前主导这种市场应用的两种硅基技术。

　　超级结功率MOSFET和IGBT基于横向器件结构，用于五百伏到九百伏的应用。同时，IGBT结合了MOSFET和双极晶体管的特性，能够用于400伏到1万伏之间的应用。

　　超级结MOSFET和IGBT不需要使用先进的制造工艺，它们可以使用300mm晶圆生产，使得它们相对而言更加便宜。

　　问题在于，超级结技术在大约九百伏左右时就遭遇了天花板，而IGBT则困扰于开关速度慢的缺点。Wavetek销售和市场部高级经理Domingo Huang表示：“在过去三十年中，硅基MOSFET成为大多数功率电子设备应用中功率器件的首选。然而，下一代和新兴的应用要求进一步大幅提高功率转换性能，而硅基FET器件正在接近其物理特性的极限。”

　　这就是为什么业界对两种宽带隙解决方案-碳化硅和氮化钾-感兴趣的原因。宽带隙指的是电子从其轨道脱离所需的能量大小，也是决定能够自由移动的电子的质量的一个参数。

　　GaN的带隙为3.4电子伏特（eV），SiC的带隙为3.3eV，相比之下，硅的带隙只有1.1eV。

　　通常，在功率领域中，GaN基功率半导体用于30伏至650伏的应用，而SiC FET用于600伏到10千伏的系统。

　　那么600伏和1200伏电压区段的最佳技术是什么？这取决于具体要求和成本。全球最大的功率半导体供应商英飞凌的GaN应用经理Eric Persson说：“我们并不真正觉得GaN和超级结功率MOSFET是互相竞争的。”英飞凌销售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技术的功率器件。

　　　“如果你需要使用超级结来满足你的要求，那么就使用它。你转向GaN的唯一原因是GaN更便宜或者应用需要更高的密度或效率，即在不牺牲效率的情况下实现更高的频率，”Persson说。“我们认为，GaN将主要在600伏应用中占主导，而到了1200伏区间，我们相信碳化硅MOSFET代表了它的未来。”

　　随着时间的推移，这些技术将开始互相重叠。“在重叠区间，由成本等特定的标准决定使用哪种技术。这也归结于这个应用是一个成本驱动的设计，还是一个性能和密度驱动的设计。这个灰色重叠地带将随着时间的推移和生产的成熟度而变化。”他说。

　　什么是GaN？
　　可以肯定的是，GaN基功率半导体不会在一些制造和生产存在挑战的领域占据主导地位。在整个工艺流程中，GaN器件是从硅衬底开始制造的，先在硅衬底上生长氮化铝（AlN）层，然后使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在AlN层上生长GaN。AlN层用作衬底和GaN之间的缓冲层。

　　应用材料公司技术营销和产品战略总监Ben Lee在一篇博客中提道：“这些（宽带隙）衬底的挑战在于它极其昂贵，而且难以制造。与硅衬底相比，GaN衬底通常为6英寸或更小。有些是8英寸，但供应相当有限。SiC衬底现在正在采用的是六英寸。”

　　还有其它一些问题。“对于GaN而言，由于GaN和硅之间存在晶格失配，所以必须要用AlN缓冲层，”Lee说。“这些缓冲层非常重要，需要进行调谐以帮助最小化电荷陷阱。”

　　因此，业界必须继续解决这些问题。“（目标是）解决这些固有的挑战，如晶格失配、热膨胀系数不同，以及能够适应垂直电压跌落的较厚的缓冲层。”Wavetek的Huang说。

　　在元器件方面，EPC表示，传统的耗尽型GaN芯片在操作中为“常开”状态，因此必须先施加负偏压。如果没有这么设计，系统将发生短路，这使得它们不适合许多应用。

　　因此，供应商已经从耗尽型器件转移到增强型器件。这些器件对于OEM更为理想，通常是关断状态，直到电压施加到栅极后才会打开。

　　不过，问题依然很清楚-客户会购买这些元件吗？GaN确实很有前途，但行业倾向于固守如功率MOSFET这种更熟悉的技术。IHS的分析师称：“供应商们需要进行广泛且有效的教育活动，以向客户解释为什么使用以及如何充分利用GaN技术。”

　　最近，GaN器件供应商正在解决一些其他问题。“业界仍然存在误解，认为GaN器件比MOSFET贵，”EPC的Lidow说。“要想扭转人们的这种误解需要一定的时间，但人们确实正在更正这种印象。EPC于2015年5月开始以相当于或者低于MOSFET的价格向大批量应用供应GaN器件。”

　　应用
　　价格降下来之后，反过来使得GaN对于数据中心和电信设备的供电电源这些应用更加具备吸引力，事实上，数据中心运营商面临大量挑战，最大的挑战便是降低这些巨型设施的功耗。

　　有若干种方法可以解决这个问题。Google采用的方法是，在其数据中心中采用48V供电的机架架构，要比目前的12V技术节能30%。

　　通常情况下，机架由服务器和电源组成。“这些机架的功率大概在50千瓦或60千瓦左右，他们希望把它进一步推高到80或者90千瓦。这个功率数字很大，可是他们还希望在同样的空间体积下实现这么高的功率，”英飞凌的Persson说。“他们希望实现最高的效率，端到端的效率大约到98%这个级别。”

　　这么大的功率，这么高的效率，电源就变得至关重要了。电源可能包括转换器、功率因数校正单元（PFC）。PFC能够保证系统以最大效率运行。

　　一种常见类型的电源双拓扑使用双升压连续导通模式（CCM）PFC电路。在某些情况下，这种电路由超级结功率MOSFET供电。“超级结可以完成这项工作，”Persson提到。“你可以得到99%的效率，但它的代价是操作频率不高。”

　　一种替代方案是使用基于600伏GaN器件的图腾柱CCM-PFC器件。 这个解决方案更贵，但有一些好处。 “图腾柱是一个更简单的拓扑，”他说。“我可以在GaN上应用相同的拓扑结构，同时实现更高的操作频率。您可以在广泛的功率范围内在PFC上获得高于99%的效率。这种方案可以节约资金和运营成本。”

　　GaN同时还有一些其他的新兴应用。比如，Diag半导体公司最近也杀入GaN市场，计划在快速充电应用中实施这项技术。

　　当智能手机或者其它移动设备电池电量较低或者不足时，必须使用墙上适配器或者充电器重新充电。在美国，电网的标准电压为120V。

　　“当您将USB适配器插入您的手机时，通常会得到5V左右的充电电压，”Diag的业务发展总监Tomas Moreno说。“这时会发生的一件事情是，手机从适配器得到的功率是受限的。想想吧，功率等于电压乘以电流，USB充电线缆能够通过的电流只有1.25安培，这是由线缆决定的，所以您无论从任何地方取电，手机上能够得到的充电功率始终只有7瓦到8瓦。”

　　总之，使用传统的墙上适配器对手机充电需要花费太多的时间。为此，业界开发了快速充电技术，它可以提高充电电压。“用于手机充电的功率变得更高了，从而充电速度更快了，”Moreno说。“你现在可以在30分钟之内将手机电量充至满电的80%。”

　　对于这种快速充电应用，Diag提供用在充电器内的三种芯片-调节控制器、同步整流控制器和通信IC。

　　很快，Diag将会添加第四个芯片解决方案 - 一个GaN功率半导体器件。该器件为半桥式，内部集成了650伏GaN功率开关和其他电路，可将功率损耗降低高达50%，将效率提高到94%。“你可以将功率密度增加近40%，”他说。“你可以抽出更多的电量，从而更快地给电池充电。”

　　针对智能手机和平板电脑应用，Dialog将于2017年开始对其GaN基快速充电解决方案进行试样。随着时间的推移，GaN将用于汽车、卫星、医疗设备和其他系统中。

　　可以肯定的是，GaN正在大踏步前进。但是硅基MOSFET仍会继续存在，并不会很快消失。