GaN商业化加速，SiC仍处于停滞状态

目前主流功率半导体仍然是硅，但近年来使用SiC和GaN的功率晶体管得到了积极的开发。使用SiC二极管的高效逆变器已在列车中使用，使用GaN的电源适配器（AC-DC转换器和DC-DC转换器）也即将上市。

2013 年，东京地铁银座线的最新列车 1000 系列开始引入 SiC 二极管逆变器（图 1，左）。配备SiC二极管逆变器的“E235系列”列车正在JR山手线运行，但量产略有延迟。这是由于 2015 年 11 月发生的运营问题造成的。不过，目前已经恢复量产，并计划从 2017 年春季开始逐步引入。

[图1]东京地铁银座线的“1000系列”（左）和小田急线更新的“1000系列”（右）

更新后的小田急电铁“1000系列”机车车辆（图1右）也配备了三菱电机的SiC功率半导体逆变器，其功率已在实验中得到证实。 2015年6月，有报道称，在配备SiC半导体的VVVF（可变电压变频）逆变器装置中，当使用SiC二极管和MOS晶体管时，与使用传统GTO（门极关断）晶闸管和pin二极管时，SiC显示出40%的节能效果。^{参考资料1}此外，还宣布计划在 JR 东海道新干线“N700S”中引入 SiC 半导体逆变器，并计划于 2020 年开始运行使用 SiC 半导体逆变器的新干线。

GaN 从大量 AC 适配器开始

SiC 功率半导体开始在火车中实现商业化，但 GaN 功率半导体很快将用于更熟悉的交流适配器中（图 2）。可以说，GaN功率半导体在量产水平上比SiC更先进。尽管SiC已经作为火车部件实现商业化，但数量极少，从半导体供应商的角度来看，它仍处于实验阶段。另一方面，GaN具有被用作LED照明的基础材料的记录，并且由于可以使用可以说是主流半导体的硅作为衬底，因此具有廉价的特点。

[图 2] 与硅相比，GaN 可以使交流适配器变得更小。
来源：Dialog Semiconductor

此外，SiC功率半导体有两种类型：晶体管和二极管，但只有二极管开始在火车上使用。该二极管是一种半导体，用于在晶体管从导通切换到截止时快速提取剩余电荷，并以与晶体管中电流流动方向相反的方向并联连接。到目前为止，列车上只使用了SiC二极管，尚未使用SiC MOS晶体管。

SiC 二极管首次使用是因为肖特基二极管可以比传统硅 pn 二极管运行得更快。尽管肖特基二极管能够进行高速开关，但硅二极管的击穿电压较低，因此毫无用处。因此，硅PN二极管很快被具有高介电强度的SiC所取代。放眼全球，日本以SiC为主，海外则以GaN为主。

天生耐高压

SiC 和 GaN 引起关注的最大原因是它们的高介电强度，如上所述（图 3）。 SiC 和 GaN 的能带隙^*1是一个大型半导体。称为半导体的材料具有介于导电金属和不导电绝缘体等导体之间的特性。这是一种粗略的说法，但导体的能带隙几乎为零，而绝缘体的能带隙非常大。半导体介于两者之间，但 SiC 和 GaN 等宽禁带半导体具有接近绝缘体的特性。因此，与硅相比，即使在相同的电子产生条件下，也能实现更高的击穿电压。而且，工作温度较高。

[图3]半导体材料比较：硅、SiC、GaN
来源：三垦电气
https://wwwsemiconsanken-elecojp/guide/GaNSiChtml

SiC 二极管和晶体管都是允许电流垂直于芯片流动的器件。因此，提高结击穿电压和电流密度是相对容易的。众所周知，SiC的耐压为1200V，在电动汽车中，例如将电压提高到600V左右的直流电压来驱动电机。尽管施加了非常大的电压，尽管是暂时的，但希望产品能够承受实际施加的电压的两倍，这就是为什么需要1200V SiC。

另一方面，许多GaN晶体管的耐压为650V，并且对600-650V的需求很高。例如，配置AC-DC电源适配器时，标准商用电压在日本为100V，美国为117V，欧洲为210至245V。PC和智能手机要求兼容100至245V的交流电源，这是通用规格。平均交流电压230V为有效值，最高电压为324V，高出141倍。电压电阻的两倍约为 650V。

国内功率半导体厂商重点关注SiC，但击穿电压越高，市场往往越小。另一方面，瞄准该市场的海外厂商则将目光集中在击穿电压较低的GaN上，部分半导体厂商也计划将GaN应用于智能手机的AC适配器电源（AC-DC转换器）中。此外，GaN的优点是能够通过在传统硅片上生长晶体来制造，从而更容易大规模生产。因此，下面我们主要介绍近一年多来积极商业化的GaN。

GaN 功率晶体管商业化开始

推动 GaN 商业化的公司包括 Dialog Semiconductor、德州仪器 (TI)、英飞凌科技、GaN Systems、Transform 和 EPC（高效功率转换）。日本创新网络公司也向Transform注资，但过去一年其对外活动一直平静。

Dialog Semiconductor 将销售一款用于智能手机电源适配器的芯片组，该芯片组将 GaN 晶体管和控制电路集成到 IC 中。为什么新型半导体GaN被用作消费类智能手机的电源？这是由于智能手机电源的小型化和低功耗。硅MOS晶体管可以提供600V左右的击穿电压，但这会牺牲漏极电阻，从而妨碍高速运行。然而，使用开关系统使电源高速运行的优点是可以将周围的线圈和电容器做得更小。硅MOS晶体管比IGBT速度更快，但提高耐压会增加电阻，增加功耗，降低电源效率。然而，使用GaN，即使降低电阻，也可以轻松实现650V的击穿电压，从而可以支持高速操作。

此外，Dialog Semiconductor 不仅将 GaN 半导体用于功率 MOS 晶体管，而且还用于控制电路（图 4）。这是因为，如果使用多个芯片形成，则会受到接合线的线圈成分的影响，操作实际上会变慢。

[图4]集成到GaN功率晶体管中的控制电路
来源：Dialog Semiconductor

未来该公司的目标市场也将可以实现快速充电。快速充电需要电源侧和智能手机侧之间的通用协议通信，而这个数字电路也是使用GaN形成的。该公司已经发货了该芯片组中使用的四种芯片中的三种样品，并计划在未来几个月内发布其余芯片。

TI还在2016年5月发布了一款将栅极驱动电路和功率MOS晶体管集成在一个封装中的IC。单个功率晶体管无法直接由微机或数字电路驱动，因此栅极驱动电路必不可少。此外，如果栅极驱动电路和功率晶体管是分开的，由于电路上的杂散电容和寄生电阻，高速性能将有所损失。因此，该公司将硅栅极驱动电路和GaN功率MOS晶体管集成到单个封装中，消除了寄生元件。

英飞凌通过收购国际整流器公司获得了 GaN 功率半导体。 GaN 和 SiC 晶体管比硅 IGBT 更快。而且，与硅MOS晶体管相比，如果设计成具有相同的电流容量，则导通电阻会更低或者输出容量会更小。也就是说，如果希望导通电阻与硅相同，面积就会更大，反之，如果在不增加输出电容的情况下进行设计，导通电阻就会增大。根据英飞凌的分析，在不增加功耗的情况下，GaN 比 SiC 更适合高速运行（图 5）。

[图5] GaN可以以最高速度运行，因此适合需要电力的应用，例如无线发射器
来源：英飞凌

加拿大的 GaN Systems 是一家无晶圆厂公司，正在致力于设计创新，以提高产量，为 GaN 的大规模生产做好准备。该公司采用了在6英寸硅片上形成GaN层的方法，但这本身并不能提高产量。因此，采用了一种称为“孤岛技术”的设计方法。这是 GaN 常断型^*2它具有将功率晶体管分成小的小信号晶体管并连接在一起的结构。本来，功率晶体管的等效电路就像是大量并联的小信号晶体管。

而且连接方式也很巧妙，如图6所示，小MOS管源极裸露的单元（绿色）和漏极裸露的单元（蓝色）交替排列，漏极和源极走线以梳状结构连接。然后将栅极从表面取出作为另一个端子。这样，即使其中一个单元出现故障，漏极或源极布线仍然连接，因此电流只会稍微减少，不会出现缺陷。因此，据说成品率约为 90%。这些数字是惊人的，因为传统的 GaN 晶体管产量低且成本高。

[图6]每个岛单元的漏极或源极被暴露，并且它们被连接以形成布线电极
来源：GaN Systems

日本创新网络公司资助的Transform于2015年推出了首款650V GaN功率晶体管。此外，2016年9月，我们与电源制造商Telecodium合作开发了电源系统效率高达94%的电源。因此，体积比传统系统小 30%。该公司瞄准数据中心和通信设备的电源，并声称是唯一获得标准组织JEDEC认可的650V功率晶体管制造商。^{参考资料2}。

日本松下也在研究GaN晶体管，并已达到样品出货阶段。该公司的目标市场包括将太阳能发电产生的直流电转换为交流电的功率调节器、汽车、服务器电源和电机控制。该产品的特点包括常关控制和引入 p 型区域以补偿 GaN 晶体缺陷（陷阱）引起的电流减少。这种GaN晶体管被称为X-GaN，样品已经开始发货。在公司的宣传视频中，助力套装^*3的电机传统的硅 MOSFET 和 IGBT 的电子电路板太大，无法装入小外壳中，但 GaN 的一大优点是可以做得更小。

美国公司EPC在GaN商业化方面处于领先地位。该公司是一家 GaN 风险投资公司，由曾担任国际整流器公司首席执行官的 Alex Rideau 创立。因此，该公司专注于 GaN，并且已经将晶体管和 IC 商业化，并发布了基于性能的可靠性数据。根据该公司的视频，其对数百万台设备进行了可靠性测试和现场测试，设备x运行时间的估算小于01 FIT（1 FIT是每十亿小时的故障数）。^{参考资料3}

GaN和SiC是可以替代硅的新型功率半导体材料。特别是，由于GaN可以在硅上形成，世界顶级代工厂（专门制造的代工公司）台积电也正在研究，在广泛使用方面比SiC领先一步。不过，一些专门从事SiC的代工公司正在兴起，我们希望未来能卷土重来。在本系列的下一篇也是最后一篇中，我们将考虑 SiC 和 GaN 的市场前景和实际应用。

作家

津田健二（津田健二）

国际科技记者和技术分析师

目前是英语和日语的自由科技记者。
利用我在半导体行业 30 多年的经验，我在博客上介绍了这一点 (newsandchipscom）和分析文章，他向半导体行业提出了各种建议。半导体门户在担任主编的同时，他还是 MyNavi 新闻系列“汽车电子”的专栏作家。

从事半导体器件的开发工作后，成为 Nikkei McGraw-Hill（现为 Nikkei BP）的 Nikkei Electronics 记者。此后，他陆续出版了《Nikkei Microdevices》、英文杂志《Nikkei Electronics Asia》、《Electronic Business Japan》、《Design News Japan》、《Semiconductor International Japan Edition》。 2007年6月独立成为一名自由国际科技记者。书籍包括《半导体大趋势2014-2023》（日经BP社出版）、《如果你不知道就危险了！》半导体，不要放弃这个正在成长的产业》、《欧洲无晶圆厂半导体产业的真相》（均由日刊工业新闻社出版）、《2011年绿色半导体技术与新业务的最新趋势》（由Impress出版）等。

http://newsandchipscom/