新型GaN功率器件的市場應用趨勢

　　第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會

　　時間：2016.01.14 下午

　　地點：深圳南山軟件創(chuàng)業(yè)基地 IC咖啡

　　演講主題: 新型GaN功率器件的市場應用趨勢

　　演講嘉賓: 蔡振宇 富士通電子元器件市場部高級經(jīng)理

　　主持人：接下來開始第三場演講。大家知道無論消費電子產(chǎn)品還是通訊硬件、電動車以及家用電器，提升電源的轉(zhuǎn)換能效、功率密度、延長電池使用的時間，這已經(jīng)是比較大的挑戰(zhàn)了。所有這一切都意味著電子產(chǎn)業(yè)會越來越依賴新型功率的半導體。有調(diào)研數(shù)據(jù)表明，到2020年氮化鎵有望獲得100%的年復合增長率。獨特的半導體在功率當中獲得了日益廣泛的應用，相比硅這個器件更具有更低的反向充電和更低的恢復時間，憑借這些優(yōu)異的特性，氮化鎵的器件正在填補電源設計發(fā)展路線圖的空白，即在新興應用中發(fā)揮更高的效率。

　　接下來有請來自富士通電子元器件公司的蔡振宇先生，他是擔任市場部的高級經(jīng)理，有請蔡振宇先生給我們介紹該公司代理的氮化鎵產(chǎn)品主要的應用場景和未來的趨勢。有請蔡先生。

　　蔡振宇：謝謝大家，大家上午好!

　　開始演講之前我要謝謝EEVIA，每年都組織這樣一個媒體和工程師交流的會議。去年我們帶來的是半導體的產(chǎn)品，今年借著IOT的東風，講一下新型的功率技術(shù)氮化鎵產(chǎn)品。今天講一下氮化鎵目前比較熱的情況，就是基于氮化鎵做的功率器件，會給我們的電源設計帶來更高的開關頻率、更高的效率和更高的省電率。

　　今天介紹的不是我們富士通自己的產(chǎn)品，我們代理了一個公司的產(chǎn)品。大家會說富士通以前是原廠，現(xiàn)在為什么擔任代理角色。我們富士通去年3月份做了一個華麗的轉(zhuǎn)身，變成半原廠、半代理商的角色。去年3月份我們富士通把自己的半導體的LSI部分和松下的半導體LSI部分合并成立了新的公司索喜科技，富士通占40%的股份，松下20%。我們在日本也有兩個晶圓制造代工廠，加上富士通電子的鐵電存儲(FRAM)。還有一個我們轉(zhuǎn)型后比較看重的產(chǎn)品，就是我們合作伙伴的產(chǎn)品，大家可以理解為是我們代理的產(chǎn)品。整個在亞太有這三部分的產(chǎn)品組成整個富士通電子在亞太售賣的產(chǎn)品。

　　這邊給大家介紹一下，2014年2月份，富士通是把氮化鎵的這個部門轉(zhuǎn)給了Transphorm公司，包括我們研發(fā)一些IP都轉(zhuǎn)到該公司，Transphorm所有的晶元產(chǎn)品都是在我們富士通的工廠去生產(chǎn)。還有一部分是把這部分資產(chǎn)做到那個公司里面去。其實我們跟那個公司的關系是比較密切的，不只是代理商與原廠之間，它也是我們晶圓代工服務的客戶。

　　后面著重給大家介紹一下Transphorm氮化鎵的產(chǎn)品有什么特點。Transphorm公司2007年在加利福尼亞州成立的。谷歌等多家知名公司都是它的股東，一輪融資融了6億美金，去年拿到三輪融資，3000多萬美金。

　　下面講一下Transphorm氮化鎵跟現(xiàn)在用的MOSFET有什么大的區(qū)別，這些區(qū)別可以應用在哪些比較適合的應用場景。

　　大家可以看到，我這邊叫HEMT，而不是傳統(tǒng)的，是高速移動的電子的晶體管，跟我們現(xiàn)在用的MOSFET結(jié)構(gòu)不一樣，它可以做到電子快速移動，在它的三級結(jié)構(gòu)中。

　　在整個功率器件發(fā)展的過程中，大家可以看這個圖，1970年有第一個可控硅出來，隨著時間和技術(shù)的推移會功率密度要求變得逐漸提升，后面是二級的晶體管，慢慢到90年代末出現(xiàn)了IGBT。2000年的時候在整個技術(shù)領域就提出了，現(xiàn)在硅基產(chǎn)品達到了物理極限?，F(xiàn)在我們要讓開關頻率進一步提高，怎么辦?現(xiàn)在整個市場上有兩個新材料，一個是我今天介紹的氮化鎵，還有一個是碳化硅。這條圖代表整個功率器件未來技術(shù)發(fā)展的方向。

　　這邊我們列出了一個比較的表格，市場上比較常用的碳化硅和氮化鎵的基準，就是本身材質(zhì)的比較。這個表不多說了，我們列出來幾個特點：首先，氮化鎵和碳化硅給到客戶的最大特點是開關頻率可以很高，整個材質(zhì)比較適合高壓的應用。碳化硅和氮化鎵兩個材質(zhì)各有各的特點，氮化鎵的電子流動性會比較高，開關性能，也就是你可以長時間開關，實驗室做起來可以有很高的速度。你可以看到市面上很多射頻產(chǎn)品都是基于氮化鎵做的，甚至跑到5G、6G的產(chǎn)品都是氮化鎵做的，所以氮化鎵的開關性特別好。碳化硅是另外一個材質(zhì)，它的高壓性能會比較好一些，高溫的性能比現(xiàn)有的氮化鎵好一些。這是現(xiàn)有的兩種功率器件的不同點。

　　基于這個再延伸下去。前面介紹我們叫氮化鎵的HEMT，它是高速的。你把橫截面切開，從半導體的結(jié)構(gòu)來看跟普通MOSFET模式不一樣，電流是橫向流，它是在硅的襯底上面長出氮化鎵。特別是功率器件，它是S極垂直往上的，上面是S極流到D極，與傳統(tǒng)的MOS管流動不一樣?？傮w來說我們跟碳化硅和氮化鎵做一個比較，有幾個數(shù)據(jù)大家注意一下。首先是載流子的能力，代表的是電流的力度，也就是功率多少安培。氮化鎵可以做到10。另外一個是載流子的能力是1500的能力，碳化硅是600這個數(shù)字。這個數(shù)字帶來的意思是運行速度和開關的速度可以提升的比較好?；谶@兩個特點，它會帶來氮化鎵的功率管和其他不同的特點。

　　這邊給大家介紹一下現(xiàn)在用的產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造。從結(jié)構(gòu)來說它是這樣一個結(jié)構(gòu)，但是目前我們所有的產(chǎn)品在技術(shù)和研發(fā)上有兩個方向，一個是上電的管子是關著的，還有一種是上電以后管子是打開的?；旧锨懊娴漠a(chǎn)品是沒有辦法用的，因為一上電管子就關了。我們有一個友商叫P公司，他們在第一個管子上面人為的做成Normally off(常關)，隨著時間變長可以加速，原來5伏可以打開，慢慢時間越長可能6伏才能打開。隨著長時間應用，跟原來用一兩年前的產(chǎn)品不一樣。這就帶了問題，Transphorm想出了一個辦法，用常開的產(chǎn)品達到常閉產(chǎn)品一樣的性能，他是通過增加一個低壓MOS管，這個結(jié)構(gòu)就是Cascode結(jié)構(gòu)，我們通過這個門級的低壓來控制整個氮化鎵的開關，也就是雖然上面是開，但是通過這個東西可以把它變成關斷的狀態(tài)，通過這個來控制它的工作。

　　這樣的結(jié)構(gòu)帶來一個什么好處呢?首先它的閾值非常穩(wěn)定的在2V。什么概念?給5伏就可以完全打開，一旦到0V會完全關閉。如果讓它完成OV off要全部關掉。我們這個要正負18V，而且這個結(jié)構(gòu)帶來一個好處，氮化鎵的驅(qū)動和現(xiàn)在的硅基是兼容的，你可以無縫的連接到氮化鎵的功率器件上，沒有必要說改成新的結(jié)構(gòu)，這對工程師設計會帶來一些好處，這是我們現(xiàn)階段用這個結(jié)構(gòu)最大的特點和優(yōu)勢。當然，我們會跟大家講，我們最后的目標還是做成Normally off的產(chǎn)品，但是現(xiàn)在的時間節(jié)點沒有辦法達到比較理想，過一段時間會做類似這樣的產(chǎn)品。

　　大家可能有一些想法，如果這里加的一個外圍器件，會不會影響到整個產(chǎn)品的性能?前面有介紹氮化鎵的產(chǎn)品速度很快，反向會不會影響它的速度呢?這個圖告訴大家不會影響。當你正向打通的時候，電流會從這個地方通到D這邊。反向的時候，這個關的沒有那么快，旁邊有一個類似于反向快恢復二極管，電可以通過這邊走掉。當這個開關打通以后，電流這邊可以正常的流掉了，這樣就完全沒有說反向打通會延遲影響你的氮化鎵芯片的速度問題。這樣的結(jié)構(gòu)會帶來比較好的結(jié)果，產(chǎn)品的速度比較快。

　　大家可能想，你講了很多氮化鎵很好的方面，到底好到什么程度呢?我們現(xiàn)在找了一個市場上比較流行的廠家的產(chǎn)品。我們比較了幾個數(shù)據(jù)(見PPT)，第一個是我們第一代的產(chǎn)品，還有一個比數(shù)字代表了正向?qū)ǖ乃俣?，一般的?4的數(shù)據(jù)，我們是62。QRR一般是5300，我們是54，只有它的一百分之一的，這幾個數(shù)據(jù)表示我們速度很快。

　　后面會給大家介紹具體的優(yōu)勢。我們還有一系列的比較，可以看到第一代的產(chǎn)品完全不輸于它，現(xiàn)在已經(jīng)做到第二代的氮化鎵的產(chǎn)品，大家可以拿這個跟傳統(tǒng)的硅基比較。

　　大家說，你第一個出來，我不要做小白鼠，你這個到底可靠性怎么樣?看看這個圖，我們600V的氮化鎵產(chǎn)品是第一個也是唯一通過JEDEC業(yè)界認證的氮化鎵產(chǎn)品，要通過這個認證，需要通過一系列的認證測試，比如高、低溫測試、高濕測試，每個測試項要經(jīng)過77個產(chǎn)品的檢測，放在三個不同的地方做這個測試，等231顆完全沒有問題才通過這個實驗，我們做了那么多實驗都完全沒有問題，所以我們產(chǎn)品的可靠性也是值得大家信賴和使用的。而且這對于電源和工程師來說帶來的是非常可靠的指標。

　　給大家介紹一下我們現(xiàn)在產(chǎn)品的情況。2013年我們出品的是3006這一顆，它的封裝是TO220。2014年出了一顆，一顆是3002。2015年主要推出兩個，和3205和3206，主要是富士通工廠生產(chǎn)的。未來可能會往高壓，今年會推出900V和1200V的產(chǎn)品。后面會往低壓方面走，做150V的。除了單顆的氮化鎵以外，模組的產(chǎn)品我們也有。這是整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

　　從我們現(xiàn)有的市場上的技術(shù)能力或者技術(shù)的研發(fā)水平來說，大概會在2017年和2016年底推出我們的E-Mode，我們會把不利的因素解決掉才會做。我們會把Cascode轉(zhuǎn)換到Emode。從電流角度來說，我們2014年推出第一顆TO240的產(chǎn)品，電池從30、40，慢慢往60、70、80的方向發(fā)展，相對應的功率也越來越大。這是從技術(shù)節(jié)點來說未來氮化鎵的走勢。

　　這是具體的現(xiàn)有產(chǎn)品的參數(shù)(見PPT)，主要是三個，一顆是3002，一顆是3002，還有顆是3205的WS的產(chǎn)品。這是整個現(xiàn)有產(chǎn)品的狀況。大家可以看到，我們的功率器件的背板有PS的，有PD的，現(xiàn)在背板做成PS的，相對來說性能和散熱片的安裝會更方便一些。還有一點，我們不是跟現(xiàn)在的MOS管兼容的，我們常用的是GSD的，大家要注意這一點，氮化鎵的跟這種不是兼容的，你要用到氮化鎵這種特有的特點的話，可能需要重新做一個板?，F(xiàn)在氮化鎵跑的頻率比較高一點，如果跑的跟現(xiàn)在一樣的頻率，可能沒有辦法體現(xiàn)現(xiàn)在氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)勢。跑到500K或者200KHz的時候氮化鎵的特點就發(fā)揮出來。

　　先面講氮化鎵產(chǎn)品本身的特點，后面講一下這個產(chǎn)品給工程師實際應用中帶來什么好處。

　　第一個應有是太陽能逆變，這是我們比較看重的產(chǎn)品應用。首先是一個量產(chǎn)的產(chǎn)品，是Yaskawa，是日本的一個廠商，每個人買來在家里自己裝的。用它跟太陽能的做一個比較，它用的是氮化鎵，三菱用的是碳化硅，做出來的結(jié)果怎么樣?從整個體系來說，Yaskawa比三菱的少了28.8這個體積。Yaskawa是11公斤，他們這個17公斤，重量我們比它小37.8個百分點，尺寸和重量都有減少。最重要的是輸出功率，我們是4.5千瓦，三菱的只有4.4千瓦，這個不是太大問題。就差兩個點，我這個產(chǎn)品售價可以比它貴10%左右。從這個角度大家可以看到氮化鎵的特點很明顯，可以把產(chǎn)品尺寸做小，重量減輕。

　　大家就問，跟現(xiàn)在的硅基來比，我把Yaskawa的產(chǎn)品拿出來比，我們跟類似的產(chǎn)品做了一個比較，也是做4.5KW，原來的效率是95，用了氮化鎵之后效率變成98。從體積來說，本來18升，現(xiàn)在可以做成10升。這就是氮化鎵帶來的特有的優(yōu)勢，整個尺寸體積減少了40%，它的功耗損失減少了40%。既做小了體積又提高了效率，這是氮化鎵產(chǎn)品給大家?guī)淼莫氂械膬?yōu)勢。大家有興趣可以看到后面我?guī)淼?000W太陽能逆變產(chǎn)品，它用4顆氮化鎵做的，體積很小，如果是傳統(tǒng)的硅基會做的很大體積。

　　最后介紹一下服務器電源的特有應用，有一個Totem pole的結(jié)構(gòu)。常用的實驗室的設計有什么特點?可以達到最高 99%的效率，體積也更小。從技術(shù)上來說，這結(jié)構(gòu)很早就提出來了。等氮化鎵這個產(chǎn)品出來以后，Totem pole是未來比較有前景的結(jié)構(gòu)。

　　大家可以看一下，這是我們做出來的一個Totem pole的表現(xiàn)(見PPT)，這就是氮化鎵做的超級反向結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的是這樣的結(jié)構(gòu)，用我們的結(jié)構(gòu)就可以把中間這六個環(huán)節(jié)拿掉，每個可以少0.7V，電感也可以拿掉。從氮化鎵來說，整個器件可以減少，頻率也可以提高，尺寸也減少，帶來一個好處是變得更輕便。效率可以做的更高，甚至可以達到98%、99%，對電源來說這樣一個產(chǎn)品是很好的。但是也會帶來一些問題，EMI等等的問題，后面我們會幫大家解決這個問題，因為畢竟這是比較新的Totem pole結(jié)構(gòu)。

　　給大家講一下比較普通的電源，特別是電腦主板上用的電源。這塊板(見PPT)我今天也有帶來。這是原來一個板的尺寸，我們做到同樣的輸出功率、同樣的效率，甚至比它更高的效率，尺寸小了這么多。為什么會小?因為我們現(xiàn)在跑的PWW是跑200KHz的氮化鎵，他現(xiàn)在跑的是50-80KHz。

　　再看一下效率，下面是基于硅基的電源效率，上面綠的是用氮化鎵做的電源效率，具體有多大提升?大概滿載的時候效率是1.7%，十分之一負載的時候大概高3%，很重要的是尺寸可以少45%，這45%對大家來說就是體積更小，做得更漂亮，可以賣的價格更高，客戶也愿意接受這個價格，這是所有廠家愿意看到的情況。

　　我們現(xiàn)在是基于這樣一個板(見PPT)，這是里面的一些器件，現(xiàn)在是這樣一個尺寸。用了我們的氮化鎵以后，只要跑到200kHz，各方面的效率會提的更高，電容尺寸也可以小一些，整個板的尺寸可以減少20%，體積可以減少30%，給大家?guī)砀咝?、更小體積的轉(zhuǎn)換器，這是氮化鎵可以做到的一個特點。

　　前面給大家介紹了我們單顆芯片的特點，氮化鎵本身材質(zhì)的特點和一些應用的特點。后面給大家做一個總結(jié)，看具體能夠給業(yè)界帶來什么優(yōu)勢。

　　首先，第一代氮化鎵已經(jīng)達到硅基甚至比硅基有更好的物理性能。我們第一代的產(chǎn)品已經(jīng)比硅基好，去年第一季度推出第二代，我們的產(chǎn)品性能比原先更有提升。下一代的產(chǎn)品會做更低成本、更好的性能，最終目標還是做到E-mode的氮化鎵產(chǎn)品。從可靠性來說我們是業(yè)界第一名。大家知道氮化鎵所有的功率廠商都在研究，像東芝等等都在做，但是通過實驗的只有我們一家。我們會繼續(xù)走下去，會做很多動態(tài)和靜態(tài)的測試，不斷的往下面走。

　　對工程師來說，我們的產(chǎn)品很容易去用，驅(qū)動的設計比較簡單，兼容你現(xiàn)在用的驅(qū)動的電路。我們還可以優(yōu)化你的設計。我們在中國在北京、大連等等都有辦公室和工作人員支持大家的工作?，F(xiàn)在幾個大廠都關注用氮化鎵這個產(chǎn)品，包括臺灣的臺達和國內(nèi)一些做電源的廠家，包括華為已經(jīng)慢慢用氮化鎵做產(chǎn)品，今年是氮化鎵非常重要的一年。

　　很多媒體朋友可能說，你說氮化鎵那么好，是不是很貴?肯定是很貴。2013年的時候，我們這個產(chǎn)品推出的時候大概是3倍的價格，最早我們做在4寸的晶元上，到2014年大概是2倍左右價格的范圍，去年隨著用量和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制成的改進，2015年轉(zhuǎn)到富士通改用5寸到6寸的，達到的是1.5倍-1.6倍。2016年我們估計隨著量產(chǎn)價格慢慢降低，可以做到1.2倍-1.3倍傳統(tǒng)的這種價格。這有利于氮化鎵產(chǎn)品的推廣。

　　順便提一下，前面談到一個材質(zhì)叫碳化硅，它的襯底都是碳化硅做的，碳化硅很硬，要鉆石刀才能切。從未來成本的角度，氮化鎵會比碳化硅更便宜，所以工程師可以放心使用，特別是高壓的使用也沒有問題。

　　這就是我今天要講的內(nèi)容。大家有什么問題嗎?

　　現(xiàn)場提問：氮化鎵的通電跟碳化硅在導通電阻RDSon那些比有什么區(qū)別?

　　蔡振宇：從技術(shù)角度來說，我們現(xiàn)在的產(chǎn)品跟碳化硅差不多的級別。有的現(xiàn)在做到10幾豪歐，我們現(xiàn)在推出的做到50幾個豪歐，對我們來說目前跟硅基和碳化硅差不多的結(jié)果。目前我們用的是這樣一個結(jié)構(gòu)(見PPT)，相對來說跟現(xiàn)有的硅基和碳化硅差不多，如果把這一部分拿掉我們會有比較高的改善。

　　現(xiàn)場提問：因為現(xiàn)在開發(fā)比例高了很多，為什么讓整個電效率提高呢?

　　蔡振宇：電源的效率有兩部分，一個是傳統(tǒng)的，一個還是開關損耗，關到一個時間有一個緩向恢復的，我們氮化鎵可以把這部分降到很低的產(chǎn)品，當頻率提升的時候反而把效率提高，散熱更好，頻率更高。我們后面放了250瓦的電源，大家可以看一下，散熱很好，頻率更高。

　　現(xiàn)場提問：EMI你們怎么處理的?

　　蔡振宇：我們后面可以給你介紹一下，因為我們有專門EMI的設計團隊，可以幫助指導你怎么做PCB和怎么過EMI測試?，F(xiàn)在電源方面，250瓦的完全可以，包括EMI測試的接口完全可以給到你，你可以會后聯(lián)系我，可以把詳細的資料給到你。特別是200瓦，再往上300瓦、500瓦的EMI要求更高一些，效率提高了，EMI的問題會出來。

　　現(xiàn)場提問：你那個結(jié)構(gòu)有沒有延時方面的問題?

　　蔡振宇：沒有延時的問題，你可以把這個看作整個產(chǎn)品，因為下面是低亞，跑1兆、2兆沒有問題，目前工程應用領域是沒有任何問題的，因為現(xiàn)在的外圍器是這樣，目前的工程應用這個完全沒有影響到開關的頻率。你現(xiàn)在看，很少有跑到500kHz的頻率。

　　現(xiàn)場提問：過電流的指標呢?

　　蔡振宇：過電流的指標跟硅基差不多。它還有一個特點是開關性能比較好，可以解決電源過程中開關頻率過高帶來的問題，這是氮化鎵本身的材料決定的。

　　現(xiàn)場提問：看到兩端，二極管那邊漏電可能有問題。

　　蔡振宇：這是自身的二極管，反向才會有這二極管，正向是沒有的，它就是這樣的，反向的時候那個結(jié)構(gòu)看上去就是漏電流、反向電流可以從二極管跑出來，其實它還是通過我這個模式走的。

　　現(xiàn)場提問：我想看一下最后您講的那個價格方面的圖，這三條線是怎么看?

　　蔡振宇：紅顏色的是硅基的，藍顏色的是氮化鎵，綠顏色的是我們的比率，就是我比它貴多少，比如說這個點我是他的3倍，這個點是2倍，這邊是1.5倍。我們目標預期2017年、2018年很接近，其實現(xiàn)在這個已經(jīng)很接近了。

　　現(xiàn)場提問：產(chǎn)能有沒有問題?

　　蔡振宇：沒有什么問題。現(xiàn)在在我們富士通做的晶元，基于6寸的，產(chǎn)能基本上一年幾千、幾萬片不成問題。如果這個賣得好可以做半導體的廠，目前完全可以滿足客戶的要求。

　　現(xiàn)場提問：影響應用的主要是兩大因素，除了價格以外，價格我們很清楚。另外一個是驅(qū)動電路的設計，你剛才也說到，你們的做法是不完全兼容，兼容一定會出問題，需要重新設計的。有一些電子廠家是跟第三方合作的，做前面的電路，你們的方案是什么?

　　蔡振宇：您可以關注一下TI的網(wǎng)站，里面有專門的設計配板，我們富士通以前沒有賣的時候就找到TI就問能不能做適合的，實際操作下來我們發(fā)現(xiàn)我們對芯片不是很挑，但是我們挑的是信號，就是你的信號盡可能的離我們比較近，這是目前的解決方案，就是我們對這個芯片沒有特別的要求，但是像前面的講的，頻率很高會帶來板自身參數(shù)的問題，所以我們會讓客戶沒有PCB板的問題，就看你的設計是不是特別接近我們的產(chǎn)品。對于EMI的設計來說，我們在美國和日本有專門的AE幫客戶解決EMI的問題。我們前面講到電源的EMI都是我們做的。今年有很多項目會量產(chǎn)，通過跟其他公司的合作我們也可以進一步的提升。