GaN器件特性影响因素有哪些？

GaN开始为人所知是在光电LED市场，广为人知则是在功率半导体的消费电子快充市场。但实际上，GaN最初在功率半导体领域的目标据说是新能源汽车市场，而非消费电子市场。

“在新能源汽车领域，SiC发展得早，而GaN并不是发展得不早，只是一开始应用在LED上，抑制了GaN的技术开发演进。由于技术上的一些限制，GaN首先在低压的消费电子快充市场站稳了脚跟，再开始随着车企的导入，逐步打开新能源汽车市场，尤其是在2023年。我认为，2023年是真正的GaN应用元年”，华灿光电氮化镓电力电子研发总监邱绍谚坦言。

华灿光电 氮化镓电力电子研发总监 邱绍谚 或许可以说，快充应用帮助GaN在功率半导体领域打开了知名度，而且在短期内成为GaN市场规模增长的最主要驱动力，但中长期来看，汽车、工业等应用的成长空间显然更大。  

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GaN的“风火轮”：低压和中高压市场

GaN因具有高频率、高功率密度、体积小等优势，有助于提高充电速度，近年来在手机、笔电、平板等消费电子市场迅速发展，产品以650V以下低压低功率GaN器件为主。

自2019年以来，GaN之风席卷了整个消费电子市场，至今仍然是GaN应用场景中占比最高的一个细分市场。短期而言，消费电子市场尚存在一些新的可能性，比如英诺赛科将GaN技术引入手机内部充电保护，意味着GaN在消费电子市场还有一些增长的空间。

若放远来看，随着更多厂商的加入以及产品的快速普及，GaN消费电子应用领域其实已经开始趋于成熟和饱和，市场竞争激烈，未来利润空间将缩小。据TrendForce集邦咨询分析，GaN于低功率消费电子应用已进入红海市场。

反观中高压应用领域，全球气候变暖、欧洲能源危机下的节能减碳计划，加速了汽车电气化的进程，也推动了光伏储能等可再生能源相关产业的发展，未来对GaN等符合更高性能要求的功率半导体器件的需求将大幅增长。与此同时，数据中心、通讯基站等领域也为GaN提供了市场机会，GaN产业链目前正在积极展开布局。

近年来，Transphorm、Navitas、GaN Systems、英诺赛科等GaN厂商早已将目光转向数据中心、通讯基站等工业及汽车市场，此外，在欧盟钛金级能效要求和中国东数西算工程背景下，数据中心电源和服务器制造商等终端用户已深刻意识到GaN技术的重要性。

而GaN自身的能力也在向中高压应用靠拢。目前，中大功率GaN功率器件在性能、可靠性等方面持续取得新突破，开始随着产业链的成熟和成本的有效控制，走向新能源汽车、储能、数据中心、户用微型逆变器、通讯基站等中大功率市场。

以新能源汽车应用为例，尽管“上车”速度慢于SiC，但在车企和GaN供应链厂商的积极导入下，GaN将在汽车650V这一应用中与SiC形成有力的竞争，如DC-DC转换器。不仅如此，Transphorm去年已发布更高压的1200V GaN功率器件，未来有望冲击1200V SiC在汽车应用领域的部分市场份额。

在此背景下，TrendForce集邦咨询预计，2023年GaN功率元件将在这些中大功率领域大规模释放，预估2022到2026年GaN功率元件市场规模年复合增长率将达到61%。  

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GaN器件特性影响因素：外延结构

技术和成本是决定大规模量产和应用的关键。无论是汽车还是工业应用，对器件可靠性有着严苛的要求，而这也是目前限制GaN落地应用的主要影响因素。目前，GaN在中高压功率半导体市场还处于产品验证阶段，实际应用案例仍在少数。

在整个生产环节，GaN器件特性由外延结构决定，器件的可靠性则与材料质量紧密相关。而目前，GaN衬底仍在开发中，市场上尚未有成熟的GaN衬底，只能使用硅和蓝宝石等异质接面衬底，这些会造成晶格失配等问题，从而导致GaN器件特性不佳。

现阶段，GaN外延主要有两种结构：D-Mode（耗尽型）和E-Mode（增强型）。

D-Mode结构相对容易制备，制造成本较低，可以实现较高的开关速度（与硅基功率晶体比较）和更低的电流漏失，适用于中高功率和高频率应用。E-Mode结构制造成本较高，具有较低的静态功耗和较好的开关特性，可以实现更高的开关速度和较低的电流漏失。两种结构晶格与衬底之间的晶格常数存在较大的失配，导致了较高的杂质密度和缺陷密度，但这种结构形成的杂质态和缺陷可以通过合适的掺杂和工艺优化来减小。

从结构方向来看，GaN外延主要有水平和垂直两种结构。

水平结构具有较低的电容、导通电阻及开关损耗，工艺较为简单。但水平结构存在电流崩塌的现象，导致GaN器件电流承受能力下降，限制了其高功率和高频率应用的性能。据邱绍谚介绍，功率半导体器件中，导通电阻与崩溃电压强相关系。其中，崩溃电压与外延片厚度成正比。水平式结构氮化镓器件除了厚度外，加上长板结构可提升器件特性。

垂直结构中具有较大的电流且不存在电流崩塌的现象，可以实现较低的电阻，从而提供更好的功率性能。另外，垂直结构的气体放电电容较大，在高功率操作时具有更好的击穿能力和可靠性。不过，目前垂直结构工艺较复杂，器件成本较高。而且，衬底质量及晶圆尺寸（2-4英寸）方面受限。  

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华灿光电的解决思路：优化GaN外延结构和工艺

在GaN领域，华灿光电正在借助LED芯片领域的技术储备和工艺经验，从消费电子市场开始渗透，逐步走向汽车、工业等中大功率电力电子市场。

据介绍，华灿光电拥有一条GaN实验研发线，覆盖外延生长设备到工艺中的设备，可以实现从外延到芯片的流水，预计今年可实现GaN外延片3万片的生产能力。

针对GaN HEMT器件结构，华灿光电已实现在6/8英寸硅衬底上无裂纹HEMT外延的优化，在表面粗糙度和厚度一致性已达到理想的水准。同时，华灿光电也完成了D-Mode和E-Mode的工艺开发，目前可实现较好的器件结果和性能参数。据称，华灿光电GaN外延的阈值电压、耐压、栅压容限等静态参数均可对标国内外的产品。

产品方面，华灿光电已开发丰富的650V系列产品，覆盖不同的电压和电流范围，适配多种封装方式，可匹配手机快充、电脑适配器、服务器电源、光伏逆变器等不同场景的需求。

Souce：华灿光电

面对蓄势待发的中大功率应用市场，华灿光电也有了清晰的计划。一方面，华灿光电将从650V逐步往900V、1200V方向跨越，另一方面则从HEMT分离式器件到整合集成展开布局，多维度发力以打开更广阔的GaN中大功率电力电子市场。

编辑：黄飞