氮化鎵作為時下備受看好的半導(dǎo)體工藝材料，具有超越硅的多項性能優(yōu)勢，是目前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究和應(yīng)用的前沿和熱點，并在光電子、大功率器件、高頻微波器件、通信電源等終端領(lǐng)域應(yīng)用方面有著廣闊的市場前景。然而，氮化鎵器件在制造過程中仍存在有待解決的難點以及對應(yīng)用成本的諸多考量。為此，《華強(qiáng)電子》邀請領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商共同探討，當(dāng)前氮化鎵的技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢。

  眾所周知，第一代半導(dǎo)體是硅，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題;第二代半導(dǎo)體是以砷化鎵為代表，被應(yīng)用到光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴};第三代半導(dǎo)體正是以氮化鎵(GaN)為代表，它在光電轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號傳輸方面效率更高。相比前兩代半導(dǎo)體材料的代表硅和砷化鎵，第三代半導(dǎo)體GaN優(yōu)勢性能更為突出，GaN的市場應(yīng)用正逐漸在展開。

Qorvo高級客戶經(jīng)理黃靖

  Qorvo高級客戶經(jīng)理黃靖在接受《華強(qiáng)電子》采訪時表示，GaN與之前的半導(dǎo)體材料相比，擁有更高的功率密度，更大的帶寬以及更高的效率，這使得GaN在基站大功率器件領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢，Qorvo認(rèn)為在未來的3-5年內(nèi)，GaN將逐步成為基站大功率領(lǐng)域的主流技術(shù)方案。

MACOM無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼

  MACOM無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼在接受《華強(qiáng)電子》采訪時表示，GaN器件在射頻領(lǐng)域的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其寬禁帶物理特性所帶來的性能優(yōu)勢，比如高擊穿電壓、高功率密度、高效率、大工作帶寬等等，這些優(yōu)勢和現(xiàn)在及未來射頻應(yīng)用對大功率數(shù)據(jù)，小尺寸，寬頻段的技術(shù)要求是高度吻合的。MACOM預(yù)計，GaN在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用會從雷達(dá)、無線基站、微波通訊等要求較高的領(lǐng)域，逐漸向工業(yè)加熱、照明、汽車點火以至于手機(jī)射頻收發(fā)等方向擴(kuò)展，成為未來無線領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體材料。

德州儀器亞太區(qū)模擬產(chǎn)品汽車方案業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳渭強(qiáng)

  德州儀器亞太區(qū)模擬產(chǎn)品汽車方案業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳渭強(qiáng)在接受本刊記者采訪時同樣表示，GaN將會在功率密集的器件應(yīng)用中大展拳腳，在未來的幾年里，GaN可以在提供更大輸出功率的同時，減小適配器尺寸，現(xiàn)有的GaN解決方案將會對高壓應(yīng)用產(chǎn)生影響。

  GaN之所以備受看好，并將眾多細(xì)分領(lǐng)域展開應(yīng)用，主要是因為GaN有三點核心性能優(yōu)勢。吳渭強(qiáng)告訴記者，GaN的三點核心性能優(yōu)勢分別是，低輸入和輸出電容可降低硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)損耗，并在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器和軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率;硬開關(guān)半橋轉(zhuǎn)換器中具有接近零的反向恢復(fù)電荷損耗，因此可實現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖騰柱 PFC;大幅減少的開關(guān)損耗可縮短過渡期，并帶來更快的開關(guān)速度，同時減少或取消散熱器。

富士通電子元器件(上海)有限公司產(chǎn)品部副經(jīng)理孫斌

  富士通電子元器件(上海)有限公司產(chǎn)品部副經(jīng)理孫斌在接受本刊記者采訪時， 對此表示認(rèn)同，并稱，GaN的禁帶寬度是硅的3倍，所以擊穿電場可以達(dá)到硅的10倍，同樣的擊穿電壓下，導(dǎo)通電阻可以降低1/300~1/1000;工作溫度可以超過300度;開關(guān)頻率可以高達(dá)數(shù)十兆赫茲，所以可以大大縮小電源的體積、提高功率密度，并逐漸在可再生能源，如太陽能逆變器;電動汽車，如充電機(jī)/on board charger;工業(yè)電機(jī)驅(qū)動，如機(jī)器人手臂;大數(shù)據(jù)中心、云計算，如服務(wù)器電源等市場導(dǎo)入。

  目前，TI的GaN技術(shù)主要集中在電源管理領(lǐng)域，比如在電源開關(guān)等應(yīng)用上。TI正著力于把GaN技術(shù)用于汽車、工業(yè)和無線充電產(chǎn)品領(lǐng)域上，使客戶能享受到GaN帶來更佳的性能表現(xiàn)，同時，TI還在關(guān)注新型轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動器和系統(tǒng)等開發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化GaN設(shè)備。

  “MACOM的硅基GaN技術(shù)主要集中于無線基站系統(tǒng)功率放大器和工業(yè)級應(yīng)用。”成鋼告訴記者，MACOM的基站放大器產(chǎn)品已覆蓋所有無線通訊頻段，功率高達(dá)720W，效率高達(dá)80%，達(dá)到甚至超過市場主流產(chǎn)品指標(biāo)。

  據(jù)了解，采用GaN的大功率器件有一個明顯的優(yōu)勢，在一個封裝中不僅有GaN功率晶體管(FET)，還內(nèi)置柵極驅(qū)動器。例如TI 最新推出的GaN器件LMG3410就是包括這種優(yōu)勢，將目前技術(shù)最先進(jìn)的硅材料功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的功率密度加倍，其相對于分立式GaN解決方案，其功率損耗、電壓應(yīng)力和電磁干擾更低，并啟用全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

美高森美RF/微波分立器件部策略市場總監(jiān)Kevin Harrington

  美高森美RF/微波分立器件部策略市場總監(jiān)Kevin Harrington在接受本刊采訪時表示，碳化硅襯底氮化鎵RF功率晶體管的最大輸出功率密度顯著高于砷化鉀或硅晶體管，而氮化鎵晶體管最重要的特性，包括高頻截止頻率和良好的導(dǎo)熱性。GaN器件還同時具備高功率、高頻率和高溫運行的最佳解決方案。

Dialog半導(dǎo)體公司發(fā)展與戰(zhàn)略高級副總裁Mark Tyndall

  “氮化鎵晶體管的優(yōu)異性能有助于客戶提供能滿足今天市場需求的更高效更緊湊的電源適配器設(shè)計，延續(xù)Dialog在基于BCD的PMIC領(lǐng)域的成功。”Dialog半導(dǎo)體公司發(fā)展與戰(zhàn)略高級副總裁Mark Tyndall在接受本刊采訪時表示，作為領(lǐng)先的氮化鎵創(chuàng)新者，Dialog再次率先將一種新型電源轉(zhuǎn)換技術(shù)投入高產(chǎn)量的消費電子設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用，Dialog的氮化鎵解決方案瞄準(zhǔn)的細(xì)分市場是快速充電智能手機(jī)和計算設(shè)備的適配器，Dialog的電源轉(zhuǎn)換器目前在這些市場上的占有率已達(dá) 70% 以上。

  氮化鎵技術(shù)可以提供全球速度最快的晶體管，這是高頻工作和超高效電源轉(zhuǎn)換的核心元件。半橋集成了許多構(gòu)件，如柵極驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換電路，跟650V功率開關(guān)一起提供優(yōu)化的解決方案，可使功率損耗最多能減少50%，實現(xiàn)高達(dá)94%的電源效率。Dialog近期推出的首款采用臺積電650伏硅基氮化鎵(GaN-on-Silicon)工藝的氮化鎵電源IC產(chǎn)品--- DA8801，正是其中的代表，可無縫地應(yīng)用氮化鎵技術(shù)，無需外加驅(qū)動氮化鎵功率開關(guān)的復(fù)雜電路。

  如今，隨著包含GaN的系統(tǒng)設(shè)計逐漸普及化，它的使用將擴(kuò)展至高端音頻放大器、無人機(jī)、電動汽車、照明、計算、太陽能板、針對車輛的成像技術(shù)等產(chǎn)品中，并將最終擴(kuò)展至所有由墻上插座供電的低壓應(yīng)用。目前，GaN已被設(shè)計用于電力電源，將電力在交流和直流形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變電壓電平并執(zhí)行多種功能，以確保電力的可使用性。