聚焦GaN功率元件(GaN功率晶体管)

真我个性

Si之后的新一代功率半导体材料的开发在日本愈发活跃。进入2013年以后，日本各大企业相继发布了采用SiC和GaN的功率元件新产品，还有不少企业宣布涉足功率元件业务。(图1)。
　　其中，变化较大的是GaN功率元件。最近，耐压600V的新款GaN功率晶体管纷纷亮相。耐压600V的功率晶体管可用于空调和电磁炉等白家电、混合动力汽车和纯电动汽车的逆变器、太阳能发电系统中的功率调节器，以及工业设备中使用的输出功率为数百W～数十kW的电力转换器。
　　这些用途对高效和小型化的需求不断高涨，因此，与原来的Si制IGBT和MOSFET相比，电力损失较小且可实现小型化的GaN功率晶体管，受到了业界的热切关注注1)。
　　注1)例如，安川电机试制出了采用GaN晶体管的家用电源调节器，并宣布2014年投产。

                               
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　　图1：企业纷纷发布新一代功率元件新产品

　　进入2013年以后，日本企业纷纷发布利用GaN和SiC的功率元件产品。其中，GaN功率元件相关措施大幅增加。
　　伴随着耐压600V的GaN功率晶体管的不断面世，设备厂商不仅有了更多的部件可选性，而且多家GaN功率元件厂商的相互竞争，还使得价格越来越低，形成了更加便于采用GaN功率晶体管的局面。
　　此前，GaN功率晶体管产品的耐压多为200V以下，耐压600V产品达到实用水平的只有美国Transphorm公司一家。此次，松下和夏普宣布全新涉足GaN功率元件业务，并发布了使用6英寸口径Si基板的新产品(表1)。松下于2013年3月，夏普于4月15日已经分别开始样品供货耐压600V产品。

                               
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　　另一方面，之前一直利用SiC基板的Transphorm也发布了使用6英寸口径Si基板制作的600V耐压GaN功率晶体管，并于2013年3月开始销售注2)。
　　注2)Transphorm还推出了GaN功率二极管产品。另外，该公司还与日本英达就GaN功率元件的量产和销售进行合作，在日本英达的筑波事务所引进了支持8英寸口径的前工序生产线。
　　除松下、夏普及Transphorm外，富士通半导体预定2013年下半年上市采用Si基板的耐压600V产品，美国国际整流器公司(International Rectifier，IR)和美国EPC也在致力于研发耐压600V的产品。
　　可常闭工作
　　另外，对于GaN功率晶体管来说，此前元件很难实现“常闭工作”，但此次却投产了可实现“常闭工作”的产品(图2)。常闭工作是指只有在栅极施加电压时才导通，这是电力转换器出于安全考虑需求强烈的一个功能。

                               
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　　图2：常闭工作的实现方法有2种

　　横型GaN功率晶体管实现常闭工作的方法大致有2种。通过元件本身或级联方式实现。二者均有利弊。左侧是松下元件的概略图。
　　此前的元件为常开工作，通过级联耐压数十V的Si MOSFET，与GaN功率晶体管集成在一个封装内。这种构造虽然可轻松沿用现有Si制元件的栅极驱动电路，但开关频率很难以数百k～数MHz的高频工作。而GaN正好具有这样的高频响应特点。
　　相反，如果元件可以常闭工作的话，则便于在高频状态下工作注3)。向市场投放可实现常闭工作产品的是松下。常闭工作有多种实现方法，松下采用了在栅极正下方设置p型AlGaN层的方法。与其他实现方法相比，该方法更易降低导通电阻。松下产品的导通电阻为65mΩ，为级联产品的一半左右。
　　注3)不过，可实现常闭工作的GaN功率晶体管的阈值电压较低。阈值电压越低，就越有可能受到电磁噪声导致的误动作的影响。
　　除松下以外，EPC和富士通半导体也在致力于开发常闭工作的实际产品。
　　激烈的价格竞争
　　随着GaN产品数量的增加，设备厂商的选择范围越来越大，而从事GaN功率元件业务的半导体厂商，今后则将面临激烈的价格竞争。这是因为，GaN功率元件市场一旦成立，韩国、中国大陆及台湾等亚洲地区的半导体厂商均有可能涉足该业务。由于可以沿用此前逻辑LSI等利用的、支持6～8英寸口径Si基板的制造装置，以及面向LED等引进的GaN类半导体的外延装置等，能够轻松涉足这一市场。为了避免与存储器和LED等同样的厄运，日本企业必须制定周密的业务战略，包括构筑海外生产基地等。