硅基GaN降成本潜力大 导入车载市场时机已成熟

随着全球新能源汽车市场的广泛铺开，功率如今也成为各大整车OEM及用户所关注的热点之一，如何有效地管理和使用电源功率已成为当下新能源类产品在全球汽车市场实现规模化普及的关键挑战。作为第三代功率半导体领域的重要成员，GaN凭借其高速开关能力、精简的外围电路以及更低功率损耗等多项优势，在12V甚至未来48V的汽车电池DC-DC转换器以及OBC等应用上将大有用武之地。而目前，一些主要的生产商如Transphorm已经获得了汽车的相关资质，同时也有越来越多的国际半导体大厂如英飞凌、TI等也都开始跟进，GaN功率半导体在车载市场正快速起步。

GaN应用优势突出 渐成车载DC-DC转换器等首选方案

作为目前市场热度最高的两大功率半导体材料，SiC和GaN受益于自身所具备的高速开关、宽禁带以及高功率密度等优异特性，在工业、移动、家电以及汽车等诸多应用场景都备受热捧。尤其是新能源汽车领域，据主流机构预测2018年以后两大功率半导体市场的CAGR（年复合增长率）会达到甚至超过35%，2027年整个市场有望突破100亿美元。虽然就目前来看，新能源汽车功率器件领域仍然以传统Si器件和SiC应用居多，但业内预估未来几年硅基GaN（GaN-on-Si）成本会快速下降，量产制备门槛也会逐步降低，GaN器件有望在2020年之后成为车载逆变器及DC-DC转换器等应用的首选方案。

ROHM半导体（北京）有限公司设计中心所长水原德健在接受本刊采访时表示：“GaN是用于新一代功率元器件的半导体材料，其物理性能优异，尤其是高频特性使其在低耐压领域的应用也日益广泛。例如，将GaN功率器件搭载于车载DC-DC转换器或逆变器等电源装置时，能够大幅提高车载DC-DC转换器的功率转换效率且能够实现装置的小型化等，未来有望得到进一步普及。”

据编者了解，相比硅器件而言，氮化镓的电荷比硅低10倍（Qoss, Qg, Qrr)，且具备更高的工作频率和效率，同等功率输出下设计可以更小巧且精简，而同等体积下也能做到更大、更高的功率密度以及更低的系统设计成本等诸多优势，这些都能够在汽车48V的DC-DC转换器领域创造很多的实用价值。

不过，英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士却认为：“由于汽车领域不管是从可靠性还是其他方面的要求都是比较高的，甚至比工业领域的级别要求还要更高。因此，GaN器件还需要等到整体系统成本能够有所缩减以及可靠性真正达到一定证明的时候，才能在汽车DC-DC转换器领域充分发挥作用。作为汽车半导体领域的领导者，英飞凌目前市场占有率排在第二位，我们也已经在该领域投入GaN技术，2019年我们会慢慢发布GaN在汽车领域的路线图，相信能为48V车载DC-DC转换器及更多应用带来更强大的解决方案。”

由此可见，成本和可靠性是当前GaN功率器件向车载DC-DC转换器市场渗透的两大主要障碍。业内某资深IC设计工程师也告诉记者：“一方面是由于GaN和Si之间晶格的不匹配，使得二者之间存在热膨胀系数和晶格系数相差较大的问题，在结构上需要做缓冲层（例如AIN/AIGaN），这些缓冲层非常重要，因为需要进行调谐以帮助最小化电荷阱。而且，受当前的架构限制，GaN设备大多为常开型设计，这些结构和架构上的问题也使得GaN目前在可靠性方面做的还不够好，从而影响汽车DC-DC转换器这类高安全、高可靠要求市场的整体接受度。”另一方面，虽然GaN这类宽禁带器件的性能优势毋庸置疑，但这种功率半导体器件目前如何能解决成本问题，并实现量产普及导入汽车市场还是一个待解的难题。

从结构到架构：GaN器件可靠性仍待挖掘

诚如上述，对于汽车DC-DC转换器这类应用来说，GaN器件的可靠性关系到整个转换器设备最终的转换效率、稳定性、安全性、功耗和散热等一系列参数。体现在GaN HEMT器件的结构和架构上要求也会十分严苛，需要从结构和架构层去进一步挖掘器件的可靠性设计潜力和价值，目前比较主流的还是在结构方面提升2DEG的面密度、架构上进行“常开向常闭”设计的转换。

业内某资深IC设计工程师表示，“从GaN HEMT的结构上来看，其主要包括衬底、缓冲层、沟道层、隔离层以及施主层几部分。其中，器件核心部分为沟道、隔离和施主三层，由它们最终形成AIGaN/GaN异质结构，决定器件电荷流动和开关速度等各类参数。当器件通电时，电子从n型AIGaN层扩散到非掺杂的GaN层，形成2DEG（即二维电子气），GaN HEMT就是通过栅极下的肖特基势垒来控制AIGaN/GaN异质结构中的电子气浓度，从而实现对电流的控制的。”

通过改变GaN HEMT的栅极电压，可以相应的改变在AIGaN/GaN异质结构界面处所形成的三角形势阱的深度和宽度，进而达到改变2DEG的浓度，控制HEMT电流的目的，该资深IC设计工程师强调：“HEMT的工作区为非掺杂的GaN层，在低温下由于晶格的振动会相应的减弱，n型AIGaN层中的电离杂质中心对紧邻的2DEG散射显得很重要。所以，一般业内为了完全将杂质中心与2DEG隔离开来，往往会在n型AIGaN层和GaN层中间加一层非掺杂的AIGaN隔离层，通过该隔离层的作用来提高2DEG的迁移率，尤其是低温迁移率。而目前，高2DEG的面密度设计仍然是业内GaN HEMT结构可靠性设计方面的关键挑战，因为如果隔离层设计的厚度过大，就会使得2DEG的面密度直线下降，导致源极和漏极的串联电阻增加，从而直接影响GaN HEMT的可靠性。在这方面，业内比较多的是通过改变AIGaN/GaN异质结处的导带差以及提升器件的自发极化和压电极化效应的影响等多重手段来提升AIGaN/GaN界面的2DEG密度，从根本结构上来充分挖掘和提升GaN器件的可靠性，但具体能够改变多少还决定于各厂商采用的自主方案，见仁见智。”

除结构设计以外，由于传统的耗尽型GaN芯片在操作中一般都处于“常开”的状态，因此必须先施加负偏压计，否则系统将很容易发生短路，这就迫使常开型的GaN设计难以适应各不同场景的应用要求，尤其是对可靠性要求极高的汽车领域。因此，如今供应商也都从耗尽型器件转移到增强型器件，因为这些器件通常是关断状态，直到电压施加到栅极后才会打开，这对于OEM们来说也会更为理想。

对此，邓巍博士表示：“GaN作为一个常开型器件，很难被客户所应用和接受。因为大家无论是在硅，还是其他器件上已经熟悉了常关型的理念。所以，英飞凌非常了解这个状况，并在技术细节和工艺上做了一些改动，比如我们在栅极加了‘P-’，做出了一个市场比较容易理解的常关型器件。”

具体来讲，"首先，我们采用了P型氮化镓电阻栅，栅极电压超出正向电压时进行空穴注入。氮化镓我们采用的是一个常关的理念，作为第三代半导体器件，氮化镓如果不在栅极做任何的电压动作的话，它中间有一个二维电子气的层，中间会有电子在中间流动。因此，我们也做了P型氮化镓漏极接触设计，来避免电流崩溃，实际上氮化镓有一个业界比较棘手的问题叫做动态RDS(ON)，英飞凌解决这个问题的关键就在于引入了‘P-’，因为动态RDS(ON)有很多电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通，这样会造成影响。把‘P-’放在这里之后，表面的电子就可以被中和掉，这样能够从技术的根本来解决问题，这也是为什么英飞凌可以在工艺领域领先的原因。总体来讲，英飞凌CoolGaN氮化镓产品的等效电路的栅极是一个阻性的栅极，有一个二极管进行自钳断式阻性栅极，即阻性栅极内部将VGS钳位到安全范围。高栅极电流可实现快速导通；稳健的栅极驱动拓扑。这个等效电路提供这些优势的同时，能够保证非常高的可靠性。目前，这个结构只有英飞凌和松下可以用，这种独一无二的常闭式概念解决方案是目前业内获得最长使用寿命，达到器件高可靠性的理想之选。”邓巍博士进一步补充到。

硅基GaN降成本潜力大导入车载市场时机已成熟

可靠性之后，作为考量GaN能否在汽车领域实现对传统MOSFET规模替代的另一大关键因素，成本也是目前上到器件供应商下到整车OEM们合力攻坚的难点。据统计，2020年GaN器件市场整体规模有可能达到约6亿美元，届时一块6英寸晶圆可加工出大约58万个GaN，而且目前也有越来越多的厂商开始踏足8英寸甚至12英寸晶圆以进一步扩大产能。从应用的角度来看，考虑到EV和HEV市场（尤其是12V/48V的DC-DC转换器和车载OBC设备）计划将从2019年开始批量采用GaN，因此在可靠性逐步达到应用要求的背景下，如果成本也能够如EV/HEV生产商的预期，未来几年GaN功率器件无疑能够在EV/HEV领域实现规模放量。

关乎应用成本方面的问题，邓巍博士认为：“虽然从目前来看，氮化镓器件的价格大约是硅器件的6倍。但如果考虑到系统成本，氮化镓的优势在于能够使拓扑结构变得更加紧凑，这是单个器件成本所体现不出来的，因此在考虑成本时还必须得把整个系统的成本考虑进去。”

业内某资深IC设计工程师也对此表示赞同，实际上，像Transphorm等少数几家厂商现在已经能够将GaN器件成本做到同等SiC器件的二分之一到三分之一，虽然现阶段单比拼成本的话，可能单个GaN器件成本会比Si MOSFET要高上许多。但是按照应用来说，用GaN器件做IC设计其实可以省掉很多的周边回路，比如车载DC-DC转换器上，外部的很多稳压、隔离和滤波等模块都能够被极大的精简，同时GaN开关也能够将芯片间的连接线减小到尽可能短的长度，从而能够最大限度缩短延迟时间，减少多芯片设计的寄生阻抗。最终，精简之后的系统集成成本其实跟传统Si MOSFET器件差不了多少，而且整个BOM的成本都会有所下降。

此外，氮化镓作为一个新产品来说，随着未来应用及普及数量的不断增长，GaN在汽车领域的成本和价格也会快速降低，邓巍博士告诉记者：“现在很多厂家都在往更大的晶圆上发展，晶圆更大的话成本又会缩减。再者，不同时代的产品设计尺寸也会不同，它的尺寸会缩减，这意味着单个晶圆产生的GaN数量也会更多。这样各方面的因素相加起来的话，氮化镓成本的缩减未来几年会是比较大幅度的，跟硅相比差距变得越来越小。这些变化也会让越来越多的客户往这个方向来看，因为有这个优势会慢慢体现出来。”

另外值得一提的是，如今有越来越多的主流大厂都开始发力硅基GaN（GaN-on-Si）的量产制备，接下来随着产能的扩增降成本潜力巨大，硅基GaN有望由此成为业内厂商未来几年在GaN产品线上主打的方案。业内某资深IC设计工程师认为：“就量产方面来讲，碳化硅基衬底因其材料特性不能够支持更大的晶圆，且由于SiC先天的量产制备高门槛特性，未来几年内其成本和产能问题并不见得能改观多少。而在供货、价格以及产能上，个人更看好硅基氮化镓功率产品，因为其成本和量产制备难度都相对更低，在无论是汽车DC-DC转换器还是更多应用上也会有非常高的性价比优势。”

总之，GaN批量导入车载市场之日已近在咫尺，2019年以后无论是在汽车DC-DC转换器、OBC车载充电抑或是车载逆变器等应用上都将能看到越来越多GaN HEMT的身影。值得注意的是，尽管目前已经有不少器件供应商开始向汽车市场进军，但编者认为可靠性在GaN器件普及应用的初级阶段仍然将面临很多的场景化问题，这不仅需要英飞凌、Transphorm这类专业GaN技术提供商从工艺和器件自身的角度发力，更需要整个汽车供应链各节点的企业从应用的角度来不断发现和解决问题，共同推动GaN功率器件在车载应用领域走向成熟。而关于成本方面，从量产制备难度和成本下降空间等多个角度综合考虑，硅基GaN（GaN-on-Si）会是眼下各主流GaN器件供应商们在汽车及更多应用场景创造价值的最优方案，虽然SiC基产品在热传导以及封装等方面会更胜一筹，但综合性价比未来相当长的一段时间内仍难以与硅基GaN媲美，还有待经过一段相当长的从技术、工艺到应用端的多方磨砺才能成大器。