15年前被視作砷化鎵未來替代品,GaN進化史被誰書寫

2020-12-04 愛集微APP

集微網消息(文/小如)近年來,第三代半導體材料正憑藉其優越的性能和巨大的市場前景,成為全球半導體市場爭奪的焦點。所謂第三代半導體材料,主要包括 SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)、金剛石等。

目前第三代半導體材料研究重點多集中於SiC和GaN技術。隨著小米氮化鎵充電器的推出,GaN的熱度被迅速點燃。

從GaN的發展來看,GaN首先在LED領域大放異彩,而時間也從上世紀90年代開始。自20世紀初以來,GaN功率器件已經逐步商業化。2010年,第一個GaN功率器件由IR投入市場,2014年以後,600V GaN HEMT已經成為GaN器件主流。2014年,行業首次在8英寸SiC上生長GaN器件。

而自商用功率GaN器件首次發布以來,越來越多的企業進入該產業鏈,如EPC、GaN Systems、Transphorm、Navitas等。當然,功率器件行業巨頭如英飛凌、安森美半導體、意法半導體、松下和德州儀器等在過去的幾年裡也啟動了「GaN計劃」。

(來源:中泰證券研究所)

始於軍工的GaN

2005年,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)為將GaN視為GaAs的替代品,開始為製造商提供GaN研發資金,從而開始致力於其發展。彼時,國防工業界希望每個單元都能獲得高功率,以縮小陣列,而GaN保證了真正意義上的高效率。

在這一過程中,不得不提及美國軍工企業——洛克希德·馬丁公司。同樣是在2005年,洛馬公司開始了「太空籬笆」項目。DARPA希望促進GaN的成熟度以使工業界達到預期產量,從而使部件從經濟上而言更加實惠。洛馬公司參與了美國空軍3DELRR雷達項目,美國空軍要求該項目採用GaN晶片。

據悉,2010年洛馬公司達到了技術成熟度6級,能夠演示採用GaN技術建造的高功率L波段發射機。

各大廠商的GaN布局之路

美國雷聲公司(Raytheon

雷神公司是美國的大型國防合約商,成立於1922年。隨著GaN達到相應的成熟度等級,美國軍方希望將其應用於新的雷達項目。

2014年,雷聲公司正在將GaN和有源電掃陣列(AESA)裝備到到「愛國者」雷達系統中。基於GaN的AESA賦予雷達360°的監視能力。

2015年2月,美國政府批准雷聲公司研製的裝備有AESA/GaN的新型「愛國者」雷達進入國際市場銷售。

雷聲公司的AMDR雷達將作為首個採用GaN晶片的雷達交付。AMDR雷達將被整合到美國海軍DDG 51 Flight III型驅逐艦上。

伴隨著GaN功率器件產業的發展,越來越多的公司也相繼加入了GaN陣營,總體來看,目前GaN產業鏈中的萬家仍以美日歐為主。

Qorvo

上文提及的洛馬公司由於沒有製造廠,一度求助於商業製造廠商美國Cree公司和TriQuint半導體公司。2015年,TriQuint與RFMD兩家公司合併成立一家新公司Qorvo,一家全球領先的RF廠商從此誕生。

2014年6月,TriQuint公司達到製造成熟度(MRL)9級。2014年7月,TriQuint公司的GaN製造工藝達到TRL9級,符合全部性能、成本和產能目標,並具備支持全速率生產的能力,也是首個達到製造成熟度(MRL)9級的公司。

2015年5月,Qorvo公司推出了採用GaN的Ku和Ka波段功率放大器,能提高商業小孔徑終端和軍用衛星通信的效率、增益和功率。

2015年9月,Qorvo宣布將專有的碳化矽(SiC)基QGaN25氮化鎵(GaN)工藝技術擴展用於在6英寸晶圓上生產單片微波集成電路(MMIC)。預計從4英寸過渡到6英寸晶圓,大約能使Qorvo公司的碳化矽基氮化鎵生產能力增加一倍

為了滿足日漸上升的5G要求,Qorvo目前能提供從QGaN50到QGaN09,從20伏、28伏、36伏、48伏到65伏所有電壓的產品線。

Transphorm

美國Transphorm是一家設計、生產氮化鎵功率轉換器和模塊的企業,其產品應用於電源、功率適配器、馬達驅動器、太陽能轉換器以及電動車輛等領域,也是公認的第一家將600伏GaN矽電晶體量產通過授證的公司。

Transphorm創始人Primit Parish和Umesh Mishra早年創辦一家名為Nitres的GaN LED公司,在Nitres被Cree(科銳)收購後,2007年,兩人便聯合創辦了Transphorm公司。

2013年,Transphorm公司推出了業內唯一經過JEDEC認證的GaN器件。同年,富士半導體公司和Transphorm公司宣布對兩家公司的氮化鎵功率器件解決方案進行整合。從那時起,Transphorm公司的JEDEC工藝和富士半導體公司的基礎性技術就進行了結合併被移植到兼容CMOS技術、採用150毫米晶片工藝的福島富士半導體公司晶片廠。

2015年1月,Transphorm公司和富士半導體宣布兼容CMOS技術的150毫米晶片廠開始大規模生產氮化鎵開關功率器件。

2017年3月,Transphorm推出了當時市場上僅有的一款經過AEC-Q101認證的650V車用GaN器件。

IR

IR(美國國際整流公司)於2010年推出了第一批商用化的GaN產品iP2010和iP2011,用於多相和POL的DC-DC轉換器、開關和伺服器等。

2013年5月,IR開始Si上GaN器件的商業化。

2014年,IR被英飛凌收購。

英飛凌

英飛凌是市場上能提供涵蓋矽(Si)、碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的全系列功率產品的公司。英飛凌擁有自主的研發能力,能夠覆蓋從前端到後端的自主研發,能夠把整個氮化鎵產業鏈在自己的工廠裡面完成。

2014年9月,英飛凌以30億美元收購美國國際整流(IR)公司,通過此次併購,英飛凌取得了IR的Si基板GaN功率半導體製造技術。

2015年3月,英飛凌和松下達成協議,聯合開發採用松下電器的常閉式Si基板GaN電晶體,與英飛凌的表貼(SMD)封裝的GaN器件,推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飛凌授予了使用其常閉型GaN電晶體結構的許可。按照協議,兩家公司均可生產高性能GaN器件。

英飛凌於2018年底開始量產CoolGaN 400V和600V增強型HEMT。

Navitas納微半導體

納微半導體成立於2014年,是世界上第一家推出氮化鎵功率IC的公司。

納微是全球第一家GaN功率IC公司,納微採用GaN工藝做驅動、保護、邏輯控制、電平轉換電路,並將這些關鍵的數字和模擬電路與GaN功率器件單片集成。

2017年9月,納微半導體發布了號稱世界上最小的65W USB-PD 手提電腦電源適配器。

2018年6月21日,納微半導體宣布在杭州設立國內GaNFast研發中心。

如今的納微,更是因為小米GaN充電器而備受關注。

安森美

安森美半導體作為電源半導體重要供應商之一,投入了大量資金研發寬禁帶(WBG)產品。安森美半導體定位為以合理成本提供最可靠的WBG產品,產品範圍寬廣,涵蓋SiC二極體、SiC MOSFET和氮化鎵(GaN)。

2015年,安森美與Transphorm建立合作關係,共同開發及共同推廣基於GaN的產品和電源系統方案。2015年,兩家公司已聯名推出第一代600 V GaN 級聯結構(Cascode)電晶體.

據悉,安森美第一代600 V矽基GaN器件已比高壓矽MOSFET提供好4倍以上的門極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷。(校對/小北)

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