作為第三代半導(dǎo)體的雙雄，氮化鎵（GaN）相對(duì)于碳化硅（SiC）在高耐壓和大工作電流方面的優(yōu)勢(shì)也不逞多讓，有望在100-600V中等耐壓范圍內(nèi)，憑借出色的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電子飽和速度，實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)性能。
因而GaN在要求小型化、低功耗的5G和PD快充適配器等領(lǐng)域打開局面之后，圍繞一次電源如服務(wù)器、適配器、普通電源市場(chǎng)以及EV、工控等應(yīng)用需求也在釋放。隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，GaN的市場(chǎng)規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)Yole Group預(yù)測(cè)，從2022年到2028年，GaN功率器件市場(chǎng)將以49%的復(fù)合年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，市值將從2022年的1.849億美元增長(zhǎng)至20.4億美元。
而上述應(yīng)用的拓展對(duì)GaN也提出了更高要求。羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心總經(jīng)理水原德健介紹，除了消費(fèi)領(lǐng)域，工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用已成為GaN增長(zhǎng)的催化劑。在這些應(yīng)用中，節(jié)能化、小型化、輕型化將是GaN的發(fā)展趨勢(shì)。
著眼于此，羅姆基于多年積累的豐富半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝技術(shù)，羅姆開發(fā)了顛覆傳統(tǒng)的GaN品牌——EcoGaN?系列產(chǎn)品，并在持續(xù)創(chuàng)新，旨在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的節(jié)能和小型化。
全面發(fā)力 EcoGaN?系列產(chǎn)品出新
追溯羅姆的布局，其實(shí)早在2006年，羅姆就開始研發(fā)GaN產(chǎn)品，可謂行業(yè)先行者。
近幾年隨著市場(chǎng)熱度升溫，羅姆也在全面發(fā)力。眾所周知，GaN HEMT的穩(wěn)定可靠對(duì)于GaN器件的全面推廣至關(guān)重要，而基于GaN-on-Si襯底的高質(zhì)量制造技術(shù)是生長(zhǎng)GaN外延層的關(guān)鍵。羅姆憑借其多年來(lái)為量產(chǎn)可靠的LED產(chǎn)品開發(fā)的基本外延和生長(zhǎng)技術(shù)，羅姆將其應(yīng)用于GaN HEMT，為需要長(zhǎng)期可靠性的市場(chǎng)提供穩(wěn)定的供應(yīng)。
歷經(jīng)20年左右的持續(xù)研發(fā)，2021年，羅姆確立了8V柵極-源極額定電壓技術(shù)的150V GaN器件技術(shù)。2022年，羅姆將有助于應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化的GaN器件命名為EcoGaN系列，持續(xù)致力于進(jìn)一步提高器件的性能。
據(jù)介紹，羅姆EcoGaN不僅包括GaN HEMT單品，搭載GaN的、內(nèi)置控制器的IC也包含其中。2022年，羅姆首次量產(chǎn)第一代EcoGaN系列150V耐壓的GaN HEMT。面對(duì)客戶的新需求，羅姆還潛心開發(fā)，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，成功地將柵極-源極額定電壓從普通GaN產(chǎn)品的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。2023年4月，羅姆又量產(chǎn)了650V耐壓GaN HEMT，這也意味著羅姆至此可同時(shí)提供150V和650V 兩大GaN分立器件系列。
此外，羅姆不僅致力于元器件的開發(fā)，還與業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)積極構(gòu)建戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并推動(dòng)聯(lián)合開發(fā)，多路并進(jìn)取得了卓越的成效。
在內(nèi)外合力之下，EcoGaN?系列產(chǎn)品有助于進(jìn)一步降低應(yīng)用產(chǎn)品的功耗，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，助力應(yīng)用產(chǎn)品進(jìn)一步節(jié)能和小型化。
應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn) 三大方向展開創(chuàng)新
為了充分提高GaN HEMT的低損耗和高速開關(guān)性能，使器件應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠， 羅姆不僅注重提高GaN HEMT單體的性能，還不斷改進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)，讓GaN器件在各種應(yīng)用中進(jìn)一步普及。
值得一提的是，羅姆在功率半導(dǎo)體以及模擬電源技術(shù)領(lǐng)域均深耕多年，通過(guò)集結(jié)創(chuàng)新，可更全面激發(fā)GaN器件性能。
整體而言，羅姆的創(chuàng)新重心圍繞三大方向展開。
水原德健提到，與Si MOSFET相比，GaN HEMT的柵極處理很難，必須與驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O用的驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用。羅姆結(jié)合所擅長(zhǎng)的功率和模擬兩種核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出集柵極驅(qū)動(dòng)器和GaN于一體的Power Stage IC。
在分析650V EcoGaN(GaN HEMT)Power Stage IC的優(yōu)勢(shì)時(shí)，水原德健指出，通過(guò)將IC用作Power Stage電路，可輕松安裝GaN器件；支持更寬的驅(qū)動(dòng)電壓范圍（2.5V～30V），擁有支持一次側(cè)電源各種控制器IC的性能，因此可以替換現(xiàn)有的Si MOSFET；與Si MOSFET相比，器件體積可減少約99%，功率損耗可降低約55%，因此可同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低損耗和更小體積。
“羅姆計(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、以及搭載半橋電路等產(chǎn)品。”水原德健進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。
在推出支持高速開關(guān)的GaN器件的同時(shí)，羅姆還通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器與GaN的結(jié)合，開發(fā)出可更大程度地激發(fā)出GaN器件性能的超高速驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器IC“BD2311NVX-LB”，實(shí)現(xiàn)了納秒（ns）量級(jí)的柵極驅(qū)動(dòng)速度，從而使GaN器件可實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。通過(guò)最小柵極輸入脈寬為1.25納秒的高速開關(guān)，助力應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化、進(jìn)一步節(jié)能和更高性能。
隨著提高控制IC（負(fù)責(zé)GaN器件的驅(qū)動(dòng)控制）的速度成為客戶關(guān)注的重點(diǎn)話題，為此羅姆進(jìn)一步改進(jìn)了在電源IC領(lǐng)域確立的超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control”，將DC-DC控制器與GaN器件相結(jié)合，成功地將控制脈沖寬度從以往的9ns縮短到2ns的業(yè)界超高水平，并通過(guò)與GaN HEMT組合實(shí)現(xiàn)了高速開關(guān)。
采用該技術(shù)的DC-DC控制器IC（開發(fā)中）和EcoGaN電源電路比普通產(chǎn)品的安裝面積減少了86%，適用于基站、數(shù)據(jù)中心、FA設(shè)備和無(wú)人機(jī)等眾多領(lǐng)域。
持續(xù)精進(jìn) GaN和GaN雙路并進(jìn)
在全面創(chuàng)新讓GaN產(chǎn)品應(yīng)用多點(diǎn)開花之后，為推進(jìn)GaN性能的進(jìn)一步提高和陣容擴(kuò)充，羅姆也立足于未來(lái)持續(xù)精進(jìn)。
水原德健提到，羅姆將持續(xù)推進(jìn)用于驅(qū)動(dòng)GaN HEMT的、內(nèi)置控制器的器件和模塊的開發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)電源解決方案，包括具有低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)性能的產(chǎn)品——150V耐壓產(chǎn)品（第二/三代）；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器和控制器的GaN模塊；650V耐壓的新封裝（TOLL封裝）產(chǎn)品等。
在產(chǎn)品擴(kuò)充層面，水原德健介紹未來(lái)兩年將陸續(xù)量產(chǎn)將GaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)IC、控制IC集成在同一封裝的產(chǎn)品，著力為客戶提供各種形式的EcoGaN解決方案，推進(jìn)在應(yīng)用中更加便捷地搭載GaN器件。
從行業(yè)趨勢(shì)來(lái)看，隨著瑞薩電子在前不久宣布完成對(duì)GaN廠商Transphorm的收購(gòu)，可以看到目前國(guó)際主流芯片大廠在寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件布局上均采取了“雙管齊下”的策略，即同時(shí)押注SiC和GaN。
羅姆除在GaN領(lǐng)域持續(xù)深耕之外，在SiC市場(chǎng)也在加大投入力度。水原德健分享道，為保證高品質(zhì)、穩(wěn)定供給和提升競(jìng)爭(zhēng)力，羅姆在SiC領(lǐng)域構(gòu)筑了從材料到封裝的IDM(垂直整合型)生產(chǎn)體制。同時(shí)，致力于三大層面提升：創(chuàng)新開發(fā)先進(jìn)的低導(dǎo)通電阻技術(shù)；增加晶圓直徑，提高生產(chǎn)效率，2023年旗下全資子公司SiCrystal實(shí)現(xiàn)了8英寸SiC晶圓生產(chǎn)；增加元件尺寸，支持高輸出的逆變器等層面持續(xù)提升競(jìng)爭(zhēng)力。
圍繞SiC市場(chǎng)，羅姆的銷售目標(biāo)是在2025年度大于1100億日元的銷售額。預(yù)計(jì)2024-2026三個(gè)年度，有近9000億日元的市場(chǎng)待開拓。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，羅姆正不斷進(jìn)行SiC方面的投資，預(yù)計(jì)2021-2025這五年投入1700-2200億日元。
憑借在GaN和SiC的多年積累和全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，未來(lái)的GaN和SiC江湖征戰(zhàn)，羅姆仍將持續(xù)書寫濃墨重彩的故事。
