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GaN功率半导体爆发在即

类别:行业趋势  出处:新电子  发布于:2019-08-08 09:55:38 | 506 次阅读

  GaN功率半导体,近来无论市场应用或技术进展皆跨入新的发展阶段,加上研究机构单体式整合制程的催化,后市可望由电源供应市场逐步壮大。
  氮化镓(GaN)功率半导体可望大发利市。5G、AIoT时代来临,许多创新技术应用如自驾车、电动车、无线充电、扩增实境(AR)、工业智动化、无人机,甚至5G基地台,对于能源效率的要求将显著增加。可较现今硅(Si)功率元件实现更高转换效率的GaN技术,遂成为各界关注焦点,并吸引许多半导体业者争相投入布局。
  根据市场研究机构Yole Développement指出,与硅功率半导体328亿美元的产值相比,GaN功率市场规模仍相当小,但该技术已开始渗透至各种应用领域,其中,又以电源供应为主要应用,如手机的快速充电器。
  据了解,Anker可以说是目前市场上导入GaN功率技术最积极的移动周边装置制造商,其移动充电器PowerPort Atom PD第一代至第三代,以及PowerPort系列部分产品,和另一个PowerCore Fusion产品,都已开始导入GaN技术。另外,Aukey、RavPower、Mu One等厂商也有采用。
  除了移动充电器外,自驾车光达(LiDAR)、资料中心伺服器、电动车,以及无线充电,亦是GaN功率半导体极具成长性的应用。Yole认为,GaN功率半导体能带来更高的节能效益,因此相关技术研发能量不断增加,商用产品也开始问世,整体GaN功率元件市场规模自2016年起已逐步放量;若情况乐观,预估2017 ~2023年的复合成长率(CAGR)可高达93%,达到4.23亿美元规模。
  大厂加入量产行列GaN发展更入佳境
  2018年6月,功率半导体大厂英飞凌(Infineon)正式宣布于年底开始量产CoolGaN 400V及600V e-mode高电子迁移率晶体管(HEMT)。
  Yole技术与市场分析师Ezgi Dogmus认为,这家电源解决方案的领导厂商开始量产GaN的宣布,对GaN功率元件市场来说是一个重要的象征。目前英飞凌已经拥有许多客户在使用他们的硅解决方案,而未来这些客户都有机会能转移到GaN技术。
  就在英飞凌发布GaN量产消息后没多久,意法半导体(ST)也宣布要由原本碳化硅(SiC)的发展,扩大延伸到GaN技术领域,将和法国技术研究机构CEA-Leti合作研发GaN-on-si技术,利用Leti的8吋研发产线进行二极体和晶体管开发。双方预期在2019年完成验证工程样品。同时,意法半导体也预计2020年将在该公司位于法国图尔市的前段晶圆厂中,建造完全符合规范的生产线(包含GaN-on-Si异质磊晶制程),以做为初期生产之用。
  除了整合元件制造商(IDM)发展力道愈来愈强,这些年来聚焦GaN功率元件开发商的新创公司也不断冒出,前面提及的EPC、Transphorm、GaN Systems是相对较早成立的,其他还有Tagore、Exagan、Navitas、VisIC、Dialog Semiconductor、GaNPower International、NEXGEN Power Systems和国内的英诺赛科等。
  这些新创大都是无晶圆厂(Fabless)的公司,选择以委外给晶圆厂生产的商业模式,多半使用台积电、汉磊(Episil)或X-Fab做为他们主要选择。未来,一旦市场规模扩大,晶圆代工的商业模式将让这些无晶圆厂新创公司有望快速成长茁壮。当然,新创GaN公司中也有一些IDM厂商,这在国内更常见,英诺赛科就是当中一个代表。
  目前市场上的整合型GaN功率元件可概分为两种,一种是封装层级的整合,将GaN晶体管与驱动器整合成单一封装,多半会针对650V以上的应用;另一种是在裸晶层级上整合GaN晶体管与驱动器,也就是达到所谓的单体式整合(Monolithically Integrated),此类产品供应商以EPC和Navitas为代表,多半针对600V以下的消费性应用。
  由于消费性应用如移动装置充电器,需求规模庞大,对GaN业者而言,是滋养茁壮的重要养分,因此为了迎合市场轻巧外观的设计要求,走向高整合设计方案将势在必行。
  imec制程技术助攻GaN实现单体整合
  有鉴于市场对更高整合度GaN功率元件的发展需求,奈米电子和数位科技研究与创新中心imec,利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台,发布一款与驱动器单体整合且功能完整的GaN半桥IC。
  半桥是一种在电力系统中常见的次电路,是由离散元件所组成,特别是用在较高电压范围的应用。要利用GaN-on-Si技术在芯片上实现半桥电路,极具挑战,特别是高电压的设计,这是因为基于GaN-on-Si技术所设计的半桥电路,会产生「后闸效应(Back-gating Effect)」,进而对半桥电路的高侧端开关(High-side Switch)造成负面影响,而切换杂讯也会对控制电路造成干扰,抑制整体效能表现。
  imec解决方案是建立在imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台,透过埋入式氧化物(Buried Oxide)和氧化物填充的深沟槽隔离设计,让功率元件、驱动器和控制逻辑能够达到电气隔离。这种隔离机制能减少有害的后闸效应对半桥高侧端开关的负面影响,更能减少切换杂讯对控制电路的干扰。
  此外,imec的技术平台也藉由整合电位转换器(Level shifter)(用来驱动高侧开关)、停滞时间控制器(Dead-time Controller)(用来避免重覆闸极输入波型),以及脉宽调变电路,来实现高整合度的升降压转换器(图1)。
  图1 imec利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台,成功开发出与驱动器单体整合且功能完整的GaN半桥IC。
  imec业务发展经理Denis Marcon表示,有些人或许会认为,利用SOI或QST晶圆来取代硅晶圆,会造成更昂贵的技术。然而,采用GaN-on-Si技术,许多离散元件必须被个别封装(利用先进封装以提升GaN快速切换性能),并且在电路板或封装层级,与它们的驱动器及其他元件连结。相反的,利用imec的GaN-IC技术则可实现完整的转换器,并整合了驱动器和类比电路区块,就可利用简单的封装技术来进行封装(因为对频率敏感的元件已在芯片上被连结),这将节省最终电力系统的成本。
  imec GaN电力电子计画总监Stefaan Decoutere表示,藉由减少寄生电感和无形的尺寸减少,高阶电力系统不论是在切换速度、运作频率,或能源效率等效能表现,将拥有显著提升的可能性,可望进一步增强GaN在消费性电源供应器和可再利用能源领域的使用。

关键词:半导体

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