GaN和SiC功率器件的特性和應(yīng)用

如今，圍繞第三代半導(dǎo)體的研發(fā)和應(yīng)用日趨火熱。由于具有更大的禁帶寬度、高耐壓、高熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速度等特點(diǎn)，第三代半導(dǎo)體材料能夠滿足未來(lái)電子產(chǎn)品在高溫、高功率、高壓、高頻等方面更高的要求，被認(rèn)為是突破傳統(tǒng)硅（Si）器件性能天花板的必由之路。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）并稱為第三代半導(dǎo)體界的“雙雄”。其中，SiC在高耐壓和大電流應(yīng)用方面優(yōu)勢(shì)突出，近年來(lái)在新能源汽車、可再生能源等功率電子領(lǐng)域風(fēng)頭無(wú)兩；而GaN則憑借出色的擊穿場(chǎng)強(qiáng)特性和電子飽和速度，提供出色的低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)（高頻率工作）性能，在100~600V中等耐壓應(yīng)用中表現(xiàn)搶眼。

圖1：GaN和SiC功率器件的特性和應(yīng)用

（圖源：ROHM Semiconductor）

日趨火爆的GaN市場(chǎng)

不難看出，由于GaN的應(yīng)用范圍與傳統(tǒng)的Si基器件有更多的交集，因此其市場(chǎng)前景也更為寬廣，也更容易在Si基器件替代升級(jí)中找到切入點(diǎn)。事實(shí)也確實(shí)如此，2020年之后，隨著在快充適配器中的應(yīng)用落地，GaN器件成功火出了圈，由此也證明其低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)等優(yōu)異特性，在大功率、高效率和小型化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

此番在消費(fèi)領(lǐng)域的成功，也成了GaN器件向工業(yè)和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用快速滲透的催化劑，GaN的市場(chǎng)規(guī)模也隨之快速增長(zhǎng)。據(jù)Yole Group的預(yù)測(cè)，從2022年到2028年，GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模將從1.849億美元增長(zhǎng)至20.4億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)49%。

如此火爆的市場(chǎng)行情，有實(shí)力的半導(dǎo)體廠商自然不會(huì)錯(cuò)過(guò)，因此近年來(lái)GaN領(lǐng)域的“火藥味”也越來(lái)越濃。想要在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中勝出，半導(dǎo)體廠商需要在兩個(gè)方面下功夫：

1第一，要有性能優(yōu)異的GaN器件，并以此為基點(diǎn)逐漸形成完整的產(chǎn)品系列，覆蓋不同耐壓等級(jí)，提供不同的封裝形式，以滿足不斷增長(zhǎng)的各類應(yīng)用所需。

2第二，要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，不斷降低GaN器件的應(yīng)用開發(fā)門檻，讓GaN技術(shù)能夠更廣泛地在更廣范的應(yīng)用場(chǎng)景中落地。

在GaN器件領(lǐng)域，ROHM Semiconductor（以下簡(jiǎn)稱ROHM）的EcoGaN系列產(chǎn)品組合，就是一個(gè)成功的范例。該系列不僅包括高性能的GaN開關(guān)單品，也包括為簡(jiǎn)化GaN應(yīng)用開發(fā)而打造的創(chuàng)新器件，在助力終端產(chǎn)品進(jìn)一步節(jié)能和小型化方面，為客戶提供價(jià)值。

圖2：ROHM EcoGaN GaN產(chǎn)品標(biāo)識(shí)

（圖源：ROHM Semiconductor）

高性能GaN開關(guān)單品

GaN HEMT是GaN開關(guān)器件的主流架構(gòu)，它是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)處感應(yīng)出的高遷移率二維電子氣體充當(dāng)通道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，器件漏極和源極之間的電流高速橫向流過(guò)二維電子氣溝道，從而實(shí)現(xiàn)出色的開關(guān)特性?；贕aN優(yōu)異的物理特性，GaN HEMT的薄漂移層可實(shí)現(xiàn)650V的耐壓和很低的導(dǎo)通電阻，以滿足中等功率、中等電壓和高頻應(yīng)用中，小型化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖3：增強(qiáng)型GaN-HEMT的結(jié)構(gòu)

（圖源：ROHM Semiconductor）

與其他一些GaN領(lǐng)域的玩家相比，ROHM的GaN HEMT產(chǎn)品似乎出道時(shí)間不長(zhǎng)，但實(shí)際上其背后的技術(shù)積淀十分深厚。

早在2006年，ROHM就開始研發(fā)GaN產(chǎn)品，并將為可靠量產(chǎn)LED產(chǎn)品而開發(fā)的基本外延和生長(zhǎng)技術(shù)，成功應(yīng)用到了GaN HEMT產(chǎn)品上，解決了基于GaN-on-Si襯底的高質(zhì)量GaN外延層生長(zhǎng)的難題。

在2021年，ROHM首先推出了8V柵極-源極額定電壓的150V GaN HEMT器件，成功切入GaN器件市場(chǎng)。緊接著在2022年，又推出了首款耐壓650V的GaN HEMT。憑借其特殊的結(jié)構(gòu)，ROHM將GaN HEMT柵極-源極額定電壓從傳統(tǒng)的6V提高到8V，提升了GaN器件電源電路的設(shè)計(jì)裕度和可靠性，也確立了其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2023年4月，ROHM的650V GaN HEMT實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，至此形成了150V和650V兩大主力分立式GaN開關(guān)器件產(chǎn)品系列。

GNP1 EcoGaN 650V GaN FET是其中代表性的產(chǎn)品，其低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)的特性，可大大提高電源轉(zhuǎn)換效率并減小系統(tǒng)柜尺寸；同時(shí)，器件內(nèi)置的ESD保護(hù)功能和出色的散熱性能，也能夠?yàn)樘嵘到y(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活度提供助力。

歸納起來(lái)，該GaN HEMT在打造高開關(guān)頻率和高密度電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，具有三大顯著優(yōu)勢(shì)：

更快的開關(guān)速度：有助于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)整體性能并實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。

更高的耐壓能力：650V額定電壓確保了穩(wěn)健性和彈性，使其成為電源、電機(jī)控制和電動(dòng)汽車系統(tǒng)等中高壓應(yīng)用的理想之選。

增強(qiáng)的可靠性：這些器件采用先進(jìn)的GaN技術(shù)構(gòu)建，具有更出眾的熱管理性能，有利于提高設(shè)備的可靠性并延長(zhǎng)使用壽命。

圖4：GNP1 EcoGaN 650V GaN FET

（圖源：ROHM Semiconductor）

解決GaN HEMT柵極驅(qū)動(dòng)痛點(diǎn)

雖然與Si MOSFET相比，GaN HEMT在開關(guān)性能上有諸多優(yōu)勢(shì)，但是作為一個(gè)新型的器件，在實(shí)際應(yīng)用開發(fā)時(shí)還是會(huì)遇到不少痛點(diǎn)，柵極驅(qū)動(dòng)就是痛點(diǎn)之一。

具體來(lái)講，GaN HEMT柵極驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)：其一，GaN HEMT的驅(qū)動(dòng)電壓較低（通常為1.5至1.8V），有誤啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；其二，GaN HEMT的柵極耐壓較低（6V左右），柵極易損壞。因此，需要采用專門優(yōu)化設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，與GaN HEMT配合使用，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的解決方案。

而這個(gè)不得不“添加”的柵極驅(qū)動(dòng)器，不但會(huì)增加系統(tǒng)BOM的數(shù)量和成本，還會(huì)因?yàn)橐紤]寄生分量影響等額外因素，增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，成為開發(fā)者使用GaN HEMT時(shí)的技術(shù)門檻。

圖5：GaN HEMT面臨的柵極驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

（圖源：ROHM Semiconductor）

為了幫助開發(fā)者輕松跨越GaN HEMT柵極驅(qū)動(dòng)這一技術(shù)門檻，ROHM結(jié)合自己在功率和模擬兩方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出了集650V GaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)外圍元器件于一體的Nano Cap 650V GaN HEMT功率級(jí)IC——BM3G0xxMUV-LB系列產(chǎn)品，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高開發(fā)效率的同時(shí)，更大程度地釋放出GaN HEMT的優(yōu)勢(shì)性能。

圖6：Nano Cap 650V GaN HEMT功率級(jí)IC

（圖源：ROHM Semiconductor）

圖7：Nano Cap 650V GaN HEMT功率級(jí)IC框圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

該GaN HEMT功率級(jí)IC的核心優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在三個(gè)方面：

簡(jiǎn)化GaN器件系統(tǒng)開發(fā)：將650V GaN HEMT、專用柵極驅(qū)動(dòng)器、新增功能和外圍元器件集成在一體化封裝中，讓GaN器件的應(yīng)用開發(fā)更輕松。

輕松替換Si基解決方案：該功率級(jí)IC具有較寬的驅(qū)動(dòng)電壓范圍（2.5~30V），典型啟動(dòng)時(shí)間15μs，傳輸延遲11~15ns，是現(xiàn)有Si基解決方案理想的“平替”。

更低的損耗，更小的尺寸：與普通的解決方案相比，該GaN HEMT功率級(jí)IC功率損耗降低約20%，所需外置元器件由8個(gè)減少為1個(gè)，性能提升明顯。

圖8：Nano Cap 650V GaN HEMT功率級(jí)IC的優(yōu)勢(shì)（圖源：ROHM Semiconductor）

一句話總結(jié)：Nano Cap 650V GaN HEMT功率級(jí)IC能夠滿足功率電子系統(tǒng)在小型化、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、可靠性、低損耗等方面的諸多需求，大大拉低GaN應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)門檻，是工業(yè)設(shè)備、電源、橋式拓?fù)浜瓦m配器等應(yīng)用向第三代半導(dǎo)體技術(shù)升級(jí)時(shí)理想的解決方案。

邁向未來(lái)的GaN產(chǎn)品組合

不難看出，在GaN領(lǐng)域ROHM的策略十分清晰：一方面，不斷打造分立GaN開關(guān)器件精品，充實(shí)產(chǎn)品組合；另一方面，通過(guò)功能集成，降低GaN系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的難度，加速GaN的規(guī)?；逃?。

事實(shí)證明，這一策略十分成功；因此面向未來(lái)，ROHM還會(huì)將這一成功的策略進(jìn)行到底。

具體來(lái)講，在GaN分立器件單品方面，ROHM將不斷擴(kuò)展現(xiàn)有的兩大主力產(chǎn)品，推出第二/三代150V耐壓產(chǎn)品、采用新型封裝的650V耐壓產(chǎn)品等；而在集成化的創(chuàng)新解決方案上，ROHM計(jì)劃2024年量產(chǎn)搭載偽諧振AC-DC電路或功率因數(shù)改善電路，以及搭載半橋電路的產(chǎn)品；并計(jì)劃在2026年前，陸續(xù)量產(chǎn)將GaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)IC、控制IC集成在同一封裝中的產(chǎn)品。

圖9：EcoGaNTM GaN產(chǎn)品路線圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

總之，ROHM正在通過(guò)自己的努力，讓GaN器件在功率電子領(lǐng)域更快速地“攻城略地”，終將變得無(wú)處不在。

如果你也想在設(shè)計(jì)中輕松搭載GaN器件，下面這些ROHM的產(chǎn)品和方案，一定不要錯(cuò)過(guò)哦~~

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EcoGaN是通過(guò)更大程度地發(fā)揮GaN的性能，助力應(yīng)用產(chǎn)品進(jìn)一步節(jié)能和小型化的羅姆GaN器件，該系列產(chǎn)品有助于應(yīng)用產(chǎn)品進(jìn)一步降低功耗、實(shí)現(xiàn)外圍元器件的小型化、減少設(shè)計(jì)工時(shí)和元器件數(shù)量等。

Nano Cap是在ROHM的垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制下，凝聚“電路設(shè)計(jì)”、“布局”、“工藝”三大模擬技術(shù)優(yōu)勢(shì)而實(shí)現(xiàn)的超穩(wěn)定控制技術(shù)。穩(wěn)定控制解決了模擬電路中電容器相關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行課題，無(wú)論是在汽車和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，還是在消費(fèi)電子設(shè)備領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)都有助于減少各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)工時(shí)。

?EcoGaN 、Nano Cap是ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊(cè)商標(biāo)。