隨著全球新能源汽車市場的廣泛鋪開，功率如今也成為各大整車OEM及用戶所關注的熱點之一，如何有效地管理和使用電源功率已成為當下新能源類產品在全球汽車市場實現規模化普及的關鍵挑戰。作為第三代功率半導體領域的重要成員，GaN憑藉其高速開關能力、精簡的外圍電路以及更低功率損耗等多項優勢，在12V甚至未來48V的汽車電池DC-DC轉換器以及OBC等應用上將大有用武之地。而目前，一些主要的生產商如Transphorm已經獲得了汽車的相關資質，同時也有越來越多的國際半導體大廠如英飛凌、TI等也都開始跟進，GaN功率半導體在車載市場正快速起步。
GaN應用優勢突出 漸成車載DC-DC轉換器等首選方案
作為目前市場熱度最高的兩大功率半導體材料，SiC和GaN受益於自身所具備的高速開關、寬禁帶以及高功率密度等優異特性，在工業、移動、家電以及汽車等諸多應用場景都備受熱捧。尤其是新能源汽車領域，據主流機構預測2018年以後兩大功率半導體市場的CAGR（年複合增長率）會達到甚至超過35%，2027年整個市場有望突破100億美元。雖然就目前來看，新能源汽車功率器件領域仍然以傳統Si器件和SiC應用居多，但業內預估未來幾年矽基GaN（GaN-on-Si）成本會快速下降，量產製備門檻也會逐步降低，GaN器件有望在2020年之後成為車載逆變器及DC-DC轉換器等應用的首選方案。
ROHM半導體（北京）有限公司設計中心所長水原德健在接受本刊採訪時表示：「GaN是用於新一代功率元器件的半導體材料，其物理性能優異，尤其是高頻特性使其在低耐壓領域的應用也日益廣泛。例如，將GaN功率器件搭載於車載DC-DC轉換器或逆變器等電源裝置時，能夠大幅提高車載DC-DC轉換器的功率轉換效率且能夠實現裝置的小型化等，未來有望得到進一步普及。」
據編者了解，相比矽器件而言，氮化鎵的電荷比矽低10倍（Qoss, Qg, Qrr)，且具備更高的工作頻率和效率，同等功率輸出下設計可以更小巧且精簡，而同等體積下也能做到更大、更高的功率密度以及更低的系統設計成本等諸多優勢，這些都能夠在汽車48V的DC-DC轉換器領域創造很多的實用價值。
不過，英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業部資深市場營銷經理鄧巍博士卻認為：「由於汽車領域不管是從可靠性還是其他方面的要求都是比較高的，甚至比工業領域的級別要求還要更高。因此，GaN器件還需要等到整體系統成本能夠有所縮減以及可靠性真正達到一定證明的時候，才能在汽車DC-DC轉換器領域充分發揮作用。作為汽車半導體領域的領導者，英飛凌目前市場佔有率排在第二位，我們也已經在該領域投入GaN技術，2019年我們會慢慢發布GaN在汽車領域的路線圖，相信能為48V車載DC-DC轉換器及更多應用帶來更強大的解決方案。」
由此可見，成本和可靠性是當前GaN功率器件向車載DC-DC轉換器市場滲透的兩大主要障礙。業內某資深IC設計工程師也告訴記者：「一方面是由於GaN和Si之間晶格的不匹配，使得二者之間存在熱膨脹係數和晶格係數相差較大的問題，在結構上需要做緩衝層（例如AIN/AIGaN），這些緩衝層非常重要，因為需要進行調諧以幫助最小化電荷阱。而且，受當前的架構限制，GaN設備大多為常開型設計，這些結構和架構上的問題也使得GaN目前在可靠性方面做的還不夠好，從而影響汽車DC-DC轉換器這類高安全、高可靠要求市場的整體接受度。」另一方面，雖然GaN這類寬禁帶器件的性能優勢毋庸置疑，但這種功率半導體器件目前如何能解決成本問題，並實現量產普及導入汽車市場還是一個待解的難題。
從結構到架構：GaN器件可靠性仍待挖掘
誠如上述，對於汽車DC-DC轉換器這類應用來說，GaN器件的可靠性關係到整個轉換器設備最終的轉換效率、穩定性、安全性、功耗和散熱等一系列參數。體現在GaN HEMT器件的結構和架構上要求也會十分嚴苛，需要從結構和架構層去進一步挖掘器件的可靠性設計潛力和價值，目前比較主流的還是在結構方面提升2DEG的面密度、架構上進行「常開向常閉」設計的轉換。
業內某資深IC設計工程師表示，「從GaN HEMT的結構上來看，其主要包括襯底、緩衝層、溝道層、隔離層以及施主層幾部分。其中，器件核心部分為溝道、隔離和施主三層，由它們最終形成AIGaN/GaN異質結構，決定器件電荷流動和開關速度等各類參數。當器件通電時，電子從n型AIGaN層擴散到非摻雜的GaN層，形成2DEG（即二維電子氣），GaN HEMT就是通過柵極下的肖特基勢壘來控制AIGaN/GaN異質結構中的電子氣濃度，從而實現對電流的控制的。」
通過改變GaN HEMT的柵極電壓，可以相應的改變在AIGaN/GaN異質結構界面處所形成的三角形勢阱的深度和寬度，進而達到改變2DEG的濃度，控制HEMT電流的目的，該資深IC設計工程師強調：「HEMT的工作區為非摻雜的GaN層，在低溫下由於晶格的振動會相應的減弱，n型AIGaN層中的電離雜質中心對緊鄰的2DEG散射顯得很重要。所以，一般業內為了完全將雜質中心與2DEG隔離開來，往往會在n型AIGaN層和GaN層中間加一層非摻雜的AIGaN隔離層，通過該隔離層的作用來提高2DEG的遷移率，尤其是低溫遷移率。而目前，高2DEG的面密度設計仍然是業內GaN HEMT結構可靠性設計方面的關鍵挑戰，因為如果隔離層設計的厚度過大，就會使得2DEG的面密度直線下降，導致源極和漏極的串聯電阻增加，從而直接影響GaN HEMT的可靠性。在這方面，業內比較多的是通過改變AIGaN/GaN異質結處的導帶差以及提升器件的自發極化和壓電極化效應的影響等多重手段來提升AIGaN/GaN界面的2DEG密度，從根本結構上來充分挖掘和提升GaN器件的可靠性，但具體能夠改變多少還決定於各廠商採用的自主方案，見仁見智。」
除結構設計以外，由於傳統的耗盡型GaN晶片在操作中一般都處於「常開」的狀態，因此必須先施加負偏壓計，否則系統將很容易發生短路，這就迫使常開型的GaN設計難以適應各不同場景的應用要求，尤其是對可靠性要求極高的汽車領域。因此，如今供應商也都從耗盡型器件轉移到增強型器件，因為這些器件通常是關斷狀態，直到電壓施加到柵極後才會打開，這對於OEM們來說也會更為理想。
對此，鄧巍博士表示：「GaN作為一個常開型器件，很難被客戶所應用和接受。因為大家無論是在矽，還是其他器件上已經熟悉了常關型的理念。所以，英飛凌非常了解這個狀況，並在技術細節和工藝上做了一些改動，比如我們在柵極加了『P-』，做出了一個市場比較容易理解的常關型器件。」
具體來講，"首先，我們採用了P型氮化鎵電阻柵，柵極電壓超出正向電壓時進行空穴注入。氮化鎵我們採用的是一個常關的理念，作為第三代半導體器件，氮化鎵如果不在柵極做任何的電壓動作的話，它中間有一個二維電子氣的層，中間會有電子在中間流動。因此，我們也做了P型氮化鎵漏極接觸設計，來避免電流崩潰，實際上氮化鎵有一個業界比較棘手的問題叫做動態RDS(ON)，英飛凌解決這個問題的關鍵就在於引入了『P-』，因為動態RDS(ON)有很多電子在開關的時候被漏級的電子陷在裡面不流通，這樣會造成影響。把『P-』放在這裡之後，表面的電子就可以被中和掉，這樣能夠從技術的根本來解決問題，這也是為什麼英飛凌可以在工藝領域領先的原因。總體來講，英飛凌CoolGaN氮化鎵產品的等效電路的柵極是一個阻性的柵極，有一個二極體進行自鉗斷式阻性柵極，即阻性柵極內部將VGS鉗位到安全範圍。高柵極電流可實現快速導通；穩健的柵極驅動拓撲。這個等效電路提供這些優勢的同時，能夠保證非常高的可靠性。目前，這個結構只有英飛凌和松下可以用，這種獨一無二的常閉式概念解決方案是目前業內獲得最長使用壽命，達到器件高可靠性的理想之選。」鄧巍博士進一步補充到。
矽基GaN降成本潛力大 導入車載市場時機已成熟
可靠性之後，作為考量GaN能否在汽車領域實現對傳統MOSFET規模替代的另一大關鍵因素，成本也是目前上到器件供應商下到整車OEM們合力攻堅的難點。據統計，2020年GaN器件市場整體規模有可能達到約6億美元，屆時一塊6英寸晶圓可加工出大約58萬個GaN，而且目前也有越來越多的廠商開始踏足8英寸甚至12英寸晶圓以進一步擴大產能。從應用的角度來看，考慮到EV和HEV市場（尤其是12V/48V的DC-DC轉換器和車載OBC設備）計劃將從2019年開始批量採用GaN，因此在可靠性逐步達到應用要求的背景下，如果成本也能夠如EV/HEV生產商的預期，未來幾年GaN功率器件無疑能夠在EV/HEV領域實現規模放量。
關乎應用成本方面的問題，鄧巍博士認為：「雖然從目前來看，氮化鎵器件的價格大約是矽器件的6倍。但如果考慮到系統成本，氮化鎵的優勢在於能夠使拓撲結構變得更加緊湊，這是單個器件成本所體現不出來的，因此在考慮成本時還必須得把整個系統的成本考慮進去。」
業內某資深IC設計工程師也對此表示贊同，實際上，像Transphorm等少數幾家廠商現在已經能夠將GaN器件成本做到同等SiC器件的二分之一到三分之一，雖然現階段單比拼成本的話，可能單個GaN器件成本會比Si MOSFET要高上許多。但是按照應用來說，用GaN器件做IC設計其實可以省掉很多的周邊迴路，比如車載DC-DC轉換器上，外部的很多穩壓、隔離和濾波等模塊都能夠被極大的精簡，同時GaN開關也能夠將晶片間的連接線減小到儘可能短的長度，從而能夠最大限度縮短延遲時間，減少多晶片設計的寄生阻抗。最終，精簡之後的系統集成成本其實跟傳統Si MOSFET器件差不了多少，而且整個BOM的成本都會有所下降。
此外，氮化鎵作為一個新產品來說，隨著未來應用及普及數量的不斷增長，GaN在汽車領域的成本和價格也會快速降低，鄧巍博士告訴記者：「現在很多廠家都在往更大的晶圓上發展，晶圓更大的話成本又會縮減。再者，不同時代的產品設計尺寸也會不同，它的尺寸會縮減，這意味著單個晶圓產生的GaN數量也會更多。這樣各方面的因素相加起來的話，氮化鎵成本的縮減未來幾年會是比較大幅度的，跟矽相比差距變得越來越小。這些變化也會讓越來越多的客戶往這個方向來看，因為有這個優勢會慢慢體現出來。」
另外值得一提的是，如今有越來越多的主流大廠都開始發力矽基GaN（GaN-on-Si）的量產製備，接下來隨著產能的擴增降成本潛力巨大，矽基GaN有望由此成為業內廠商未來幾年在GaN產品線上主打的方案。業內某資深IC設計工程師認為：「就量產方面來講，碳化矽基襯底因其材料特性不能夠支持更大的晶圓，且由於SiC先天的量產製備高門檻特性，未來幾年內其成本和產能問題並不見得能改觀多少。而在供貨、價格以及產能上，個人更看好矽基氮化鎵功率產品，因為其成本和量產製備難度都相對更低，在無論是汽車DC-DC轉換器還是更多應用上也會有非常高的性價比優勢。」
總之，GaN批量導入車載市場之日已近在咫尺，2019年以後無論是在汽車DC-DC轉換器、OBC車載充電抑或是車載逆變器等應用上都將能看到越來越多GaN HEMT的身影。值得注意的是，儘管目前已經有不少器件供應商開始向汽車市場進軍，但編者認為可靠性在GaN器件普及應用的初級階段仍然將面臨很多的場景化問題，這不僅需要英飛凌、Transphorm這類專業GaN技術提供商從工藝和器件自身的角度發力，更需要整個汽車供應鏈各節點的企業從應用的角度來不斷發現和解決問題，共同推動GaN功率器件在車載應用領域走向成熟。而關於成本方面，從量產製備難度和成本下降空間等多個角度綜合考慮，矽基GaN（GaN-on-Si）會是眼下各主流GaN器件供應商們在汽車及更多應用場景創造價值的最優方案，雖然SiC基產品在熱傳導以及封裝等方面會更勝一籌，但綜合性價比未來相當長的一段時間內仍難以與矽基GaN媲美，還有待經過一段相當長的從技術、工藝到應用端的多方磨礪才能成大器。