新型GaN功率器件的市场应用趋势

第五届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2016产业和技术展望研讨会
时间：2016.01.14 下午
地点：深圳南山软件创业基地 IC咖啡
演讲主题: 新型GaN功率器件的市场应用趋势
演讲嘉宾: 蔡振宇 富士通电子元器件市场部高级经理

主持人：接下来开始第三场演讲。大家知道无论消费电子产品还是通讯硬件、电动车以及家用电器，提升电源的转换能效、功率密度、延长电池使用的时间，这已经是比较大的挑战了。所有这一切都意味着电子产业会越来越依赖新型功率的半导体。有调研数据表明，到2020年氮化镓有望获得100%的年复合增长率。独特的半导体在功率当中获得了日益广泛的应用，相比硅这个器件更具有更低的反向充电和更低的恢复时间，凭借这些优异的特性，氮化镓的器件正在填补电源设计发展路线图的空白，即在新兴应用中发挥更高的效率。

接下来有请来自富士通电子元器件公司的蔡振宇先生，他是担任市场部的高级经理，有请蔡振宇先生给我们介绍该公司代理的氮化镓产品主要的应用场景和未来的趋势。有请蔡先生。

蔡振宇：谢谢大家，大家上午好!

开始演讲之前我要谢谢EEVIA，每年都组织这样一个媒体和工程师交流的会议。去年我们带来的是半导体的产品，今年借着IOT的东风，讲一下新型的功率技术氮化镓产品。今天讲一下氮化镓目前比较热的情况，就是基于氮化镓做的功率器件，会给我们的电源设计带来更高的开关频率、更高的效率和更高的省电率。

今天介绍的不是我们富士通自己的产品，我们代理了一个公司的产品。大家会说富士通以前是原厂，现在为什么担任代理角色。我们富士通去年3月份做了一个华丽的转身，变成半原厂、半代理商的角色。去年3月份我们富士通把自己的半导体的LSI部分和松下的半导体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%。我们在日本也有两个晶圆制造代工厂，加上富士通电子的铁电存储(FRAM)。还有一个我们转型后比较看重的产品，就是我们合作伙伴的产品，大家可以理解为是我们代理的产品。整个在亚太有这三部分的产品组成整个富士通电子在亚太售卖的产品。



这边给大家介绍一下，2014年2月份，富士通是把氮化镓的这个部门转给了Transphorm公司，包括我们研发一些IP都转到该公司，Transphorm所有的晶元产品都是在我们富士通的工厂去生产。还有一部分是把这部分资产做到那个公司里面去。其实我们跟那个公司的关系是比较密切的，不只是代理商与原厂之间，它也是我们晶圆代工服务的客户。

后面着重给大家介绍一下Transphorm氮化镓的产品有什么特点。Transphorm公司2007年在加利福尼亚州成立的。谷歌等多家知名公司都是它的股东，一轮融资融了6亿美金，去年拿到三轮融资，3000多万美金。

下面讲一下Transphorm氮化镓跟现在用的MOSFET有什么大的区别，这些区别可以应用在哪些比较适合的应用场景。

大家可以看到，我这边叫HEMT，而不是传统的，是高速移动的电子的晶体管，跟我们现在用的MOSFET结构不一样，它可以做到电子快速移动，在它的三级结构中。

在整个功率器件发展的过程中，大家可以看这个图，1970年有第一个可控硅出来，随着时间和技术的推移会功率密度要求变得逐渐提升，后面是二级的晶体管，慢慢到90年代末出现了IGBT。2000年的时候在整个技术领域就提出了，现在硅基产品达到了物理极限。现在我们要让开关频率进一步提高，怎么办?现在整个市场上有两个新材料，一个是我今天介绍的氮化镓，还有一个是碳化硅。这条图代表整个功率器件未来技术发展的方向。



这边我们列出了一个比较的表格，市场上比较常用的碳化硅和氮化镓的基准，就是本身材质的比较。这个表不多说了，我们列出来几个特点：首先，氮化镓和碳化硅给到客户的最大特点是开关频率可以很高，整个材质比较适合高压的应用。碳化硅和氮化镓两个材质各有各的特点，氮化镓的电子流动性会比较高，开关性能，也就是你可以长时间开关，实验室做起来可以有很高的速度。你可以看到市面上很多射频产品都是基于氮化镓做的，甚至跑到5G、6G的产品都是氮化镓做的，所以氮化镓的开关性特别好。碳化硅是另外一个材质，它的高压性能会比较好一些，高温的性能比现有的氮化镓好一些。这是现有的两种功率器件的不同点。

基于这个再延伸下去。前面介绍我们叫氮化镓的HEMT，它是高速的。你把横截面切开，从半导体的结构来看跟普通MOSFET模式不一样，电流是横向流，它是在硅的衬底上面长出氮化镓。特别是功率器件，它是S极垂直往上的，上面是S极流到D极，与传统的MOS管流动不一样。总体来说我们跟碳化硅和氮化镓做一个比较，有几个数据大家注意一下。首先是载流子的能力，代表的是电流的力度，也就是功率多少安培。氮化镓可以做到10。另外一个是载流子的能力是1500的能力，碳化硅是600这个数字。这个数字带来的意思是运行速度和开关的速度可以提升的比较好。基于这两个特点，它会带来氮化镓的功率管和其他不同的特点。

这边给大家介绍一下现在用的产品的内部构造。从结构来说它是这样一个结构，但是目前我们所有的产品在技术和研发上有两个方向，一个是上电的管子是关着的，还有一种是上电以后管子是打开的。基本上前面的产品是没有办法用的，因为一上电管子就关了。我们有一个友商叫P公司，他们在第一个管子上面人为的做成Normally off(常关)，随着时间变长可以加速，原来5伏可以打开，慢慢时间越长可能6伏才能打开。随着长时间应用，跟原来用一两年前的产品不一样。这就带了问题，Transphorm想出了一个办法，用常开的产品达到常闭产品一样的性能，他是通过增加一个低压MOS管，这个结构就是Cascode结构，我们通过这个门级的低压来控制整个氮化镓的开关，也就是虽然上面是开，但是通过这个东西可以把它变成关断的状态，通过这个来控制它的工作。

这样的结构带来一个什么好处呢?首先它的阈值非常稳定的在2V。什么概念?给5伏就可以完全打开，一旦到0V会完全关闭。如果让它完成OV off要全部关掉。我们这个要正负18V，而且这个结构带来一个好处，氮化镓的驱动和现在的硅基是兼容的，你可以无缝的连接到氮化镓的功率器件上，没有必要说改成新的结构，这对工程师设计会带来一些好处，这是我们现阶段用这个结构最大的特点和优势。当然，我们会跟大家讲，我们最后的目标还是做成Normally off的产品，但是现在的时间节点没有办法达到比较理想，过一段时间会做类似这样的产品。

大家可能有一些想法，如果这里加的一个外围器件，会不会影响到整个产品的性能?前面有介绍氮化镓的产品速度很快，反向会不会影响它的速度呢?这个图告诉大家不会影响。当你正向打通的时候，电流会从这个地方通到D这边。反向的时候，这个关的没有那么快，旁边有一个类似于反向快恢复二极管，电可以通过这边走掉。当这个开关打通以后，电流这边可以正常的流掉了，这样就完全没有说反向打通会延迟影响你的氮化镓芯片的速度问题。这样的结构会带来比较好的结果，产品的速度比较快。
大家可能想，你讲了很多氮化镓很好的方面，到底好到什么程度呢?我们现在找了一个市场上比较流行的厂家的产品。我们比较了几个数据(见PPT)，第一个是我们第一代的产品，还有一个比数字代表了正向导通的速度，一般的是44的数据，我们是62。QRR一般是5300，我们是54，只有它的一百分之一的，这几个数据表示我们速度很快。

后面会给大家介绍具体的优势。我们还有一系列的比较，可以看到第一代的产品完全不输于它，现在已经做到第二代的氮化镓的产品，大家可以拿这个跟传统的硅基比较。

大家说，你第一个出来，我不要做小白鼠，你这个到底可靠性怎么样?看看这个图，我们600V的氮化镓产品是第一个也是唯一通过JEDEC业界认证的氮化镓产品，要通过这个认证，需要通过一系列的认证测试，比如高、低温测试、高湿测试，每个测试项要经过77个产品的检测，放在三个不同的地方做这个测试，等231颗完全没有问题才通过这个实验，我们做了那么多实验都完全没有问题，所以我们产品的可靠性也是值得大家信赖和使用的。而且这对于电源和工程师来说带来的是非常可靠的指标。

给大家介绍一下我们现在产品的情况。2013年我们出品的是3006这一颗，它的封装是TO220。2014年出了一颗，一颗是3002。2015年主要推出两个，和3205和3206，主要是富士通工厂生产的。未来可能会往高压，今年会推出900V和1200V的产品。后面会往低压方面走，做150V的。除了单颗的氮化镓以外，模组的产品我们也有。这是整个产品结构的状态。

从我们现有的市场上的技术能力或者技术的研发水平来说，大概会在2017年和2016年底推出我们的E-Mode，我们会把不利的因素解决掉才会做。我们会把Cascode转换到Emode。从电流角度来说，我们2014年推出第一颗TO240的产品，电池从30、40，慢慢往60、70、80的方向发展，相对应的功率也越来越大。这是从技术节点来说未来氮化镓的走势。

这是具体的现有产品的参数(见PPT)，主要是三个，一颗是3002，一颗是3002，还有颗是3205的WS的产品。这是整个现有产品的状况。大家可以看到，我们的功率器件的背板有PS的，有PD的，现在背板做成PS的，相对来说性能和散热片的安装会更方便一些。还有一点，我们不是跟现在的MOS管兼容的，我们常用的是GSD的，大家要注意这一点，氮化镓的跟这种不是兼容的，你要用到氮化镓这种特有的特点的话，可能需要重新做一个板。现在氮化镓跑的频率比较高一点，如果跑的跟现在一样的频率，可能没有办法体现现在氮化镓产品的优势。跑到500K或者200KHz的时候氮化镓的特点就发挥出来。

先面讲氮化镓产品本身的特点，后面讲一下这个产品给工程师实际应用中带来什么好处。

第一个应有是太阳能逆变，这是我们比较看重的产品应用。首先是一个量产的产品，是Yaskawa，是日本的一个厂商，每个人买来在家里自己装的。用它跟太阳能的做一个比较，它用的是氮化镓，三菱用的是碳化硅，做出来的结果怎么样?从整个体系来说，Yaskawa比三菱的少了28.8这个体积。Yaskawa是11公斤，他们这个17公斤，重量我们比它小37.8个百分点，尺寸和重量都有减少。最重要的是输出功率，我们是4.5千瓦，三菱的只有4.4千瓦，这个不是太大问题。就差两个点，我这个产品售价可以比它贵10%左右。从这个角度大家可以看到氮化镓的特点很明显，可以把产品尺寸做小，重量减轻。

大家就问，跟现在的硅基来比，我把Yaskawa的产品拿出来比，我们跟类似的产品做了一个比较，也是做4.5KW，原来的效率是95，用了氮化镓之后效率变成98。从体积来说，本来18升，现在可以做成10升。这就是氮化镓带来的特有的优势，整个尺寸体积减少了40%，它的功耗损失减少了40%。既做小了体积又提高了效率，这是氮化镓产品给大家带来的独有的优势。大家有兴趣可以看到后面我带来的1000W太阳能逆变产品，它用4颗氮化镓做的，体积很小，如果是传统的硅基会做的很大体积。

最后介绍一下服务器电源的特有应用，有一个Totem pole的结构。常用的实验室的设计有什么特点?可以达到最高 99%的效率，体积也更小。从技术上来说，这结构很早就提出来了。等氮化镓这个产品出来以后，Totem pole是未来比较有前景的结构。

大家可以看一下，这是我们做出来的一个Totem pole的表现(见PPT)，这就是氮化镓做的超级反向结构的表现。现在传统的是这样的结构，用我们的结构就可以把中间这六个环节拿掉，每个可以少0.7V，电感也可以拿掉。从氮化镓来说，整个器件可以减少，频率也可以提高，尺寸也减少，带来一个好处是变得更轻便。效率可以做的更高，甚至可以达到98%、99%，对电源来说这样一个产品是很好的。但是也会带来一些问题，EMI等等的问题，后面我们会帮大家解决这个问题，因为毕竟这是比较新的Totem pole结构。

给大家讲一下比较普通的电源，特别是电脑主板上用的电源。这块板(见PPT)我今天也有带来。这是原来一个板的尺寸，我们做到同样的输出功率、同样的效率，甚至比它更高的效率，尺寸小了这么多。为什么会小?因为我们现在跑的PWW是跑200KHz的氮化镓，他现在跑的是50-80KHz。

再看一下效率，下面是基于硅基的电源效率，上面绿的是用氮化镓做的电源效率，具体有多大提升?大概满载的时候效率是1.7%，十分之一负载的时候大概高3%，很重要的是尺寸可以少45%，这45%对大家来说就是体积更小，做得更漂亮，可以卖的价格更高，客户也愿意接受这个价格，这是所有厂家愿意看到的情况。

我们现在是基于这样一个板(见PPT)，这是里面的一些器件，现在是这样一个尺寸。用了我们的氮化镓以后，只要跑到200kHz，各方面的效率会提的更高，电容尺寸也可以小一些，整个板的尺寸可以减少20%，体积可以减少30%，给大家带来更高效率、更小体积的转换器，这是氮化镓可以做到的一个特点。

前面给大家介绍了我们单颗芯片的特点，氮化镓本身材质的特点和一些应用的特点。后面给大家做一个总结，看具体能够给业界带来什么优势。

首先，第一代氮化镓已经达到硅基甚至比硅基有更好的物理性能。我们第一代的产品已经比硅基好，去年第一季度推出第二代，我们的产品性能比原先更有提升。下一代的产品会做更低成本、更好的性能，最终目标还是做到E-mode的氮化镓产品。从可靠性来说我们是业界第一名。大家知道氮化镓所有的功率厂商都在研究，像东芝等等都在做，但是通过实验的只有我们一家。我们会继续走下去，会做很多动态和静态的测试，不断的往下面走。

对工程师来说，我们的产品很容易去用，驱动的设计比较简单，兼容你现在用的驱动的电路。我们还可以优化你的设计。我们在中国在北京、大连等等都有办公室和工作人员支持大家的工作。现在几个大厂都关注用氮化镓这个产品，包括台湾的台达和国内一些做电源的厂家，包括华为已经慢慢用氮化镓做产品，今年是氮化镓非常重要的一年。

很多媒体朋友可能说，你说氮化镓那么好，是不是很贵?肯定是很贵。2013年的时候，我们这个产品推出的时候大概是3倍的价格，最早我们做在4寸的晶元上，到2014年大概是2倍左右价格的范围，去年随着用量和结构生产制成的改进，2015年转到富士通改用5寸到6寸的，达到的是1.5倍-1.6倍。2016年我们估计随着量产价格慢慢降低，可以做到1.2倍-1.3倍传统的这种价格。这有利于氮化镓产品的推广。

顺便提一下，前面谈到一个材质叫碳化硅，它的衬底都是碳化硅做的，碳化硅很硬，要钻石刀才能切。从未来成本的角度，氮化镓会比碳化硅更便宜，所以工程师可以放心使用，特别是高压的使用也没有问题。

这就是我今天要讲的内容。大家有什么问题吗?

现场提问：氮化镓的通电跟碳化硅在导通电阻RDSon那些比有什么区别?

蔡振宇：从技术角度来说，我们现在的产品跟碳化硅差不多的级别。有的现在做到10几豪欧，我们现在推出的做到50几个豪欧，对我们来说目前跟硅基和碳化硅差不多的结果。目前我们用的是这样一个结构(见PPT)，相对来说跟现有的硅基和碳化硅差不多，如果把这一部分拿掉我们会有比较高的改善。

现场提问：因为现在开发比例高了很多，为什么让整个电效率提高呢?

蔡振宇：电源的效率有两部分，一个是传统的，一个还是开关损耗，关到一个时间有一个缓向恢复的，我们氮化镓可以把这部分降到很低的产品，当频率提升的时候反而把效率提高，散热更好，频率更高。我们后面放了250瓦的电源，大家可以看一下，散热很好，频率更高。

现场提问：EMI你们怎么处理的?

蔡振宇：我们后面可以给你介绍一下，因为我们有专门EMI的设计团队，可以帮助指导你怎么做PCB和怎么过EMI测试。现在电源方面，250瓦的完全可以，包括EMI测试的接口完全可以给到你，你可以会后联系我，可以把详细的资料给到你。特别是200瓦，再往上300瓦、500瓦的EMI要求更高一些，效率提高了，EMI的问题会出来。

现场提问：你那个结构有没有延时方面的问题?

蔡振宇：没有延时的问题，你可以把这个看作整个产品，因为下面是低亚，跑1兆、2兆没有问题，目前工程应用领域是没有任何问题的，因为现在的外围器是这样，目前的工程应用这个完全没有影响到开关的频率。你现在看，很少有跑到500kHz的频率。

现场提问：过电流的指标呢?

蔡振宇：过电流的指标跟硅基差不多。它还有一个特点是开关性能比较好，可以解决电源过程中开关频率过高带来的问题，这是氮化镓本身的材料决定的。

现场提问：看到两端，二极管那边漏电可能有问题。

蔡振宇：这是自身的二极管，反向才会有这二极管，正向是没有的，它就是这样的，反向的时候那个结构看上去就是漏电流、反向电流可以从二极管跑出来，其实它还是通过我这个模式走的。

现场提问：我想看一下最后您讲的那个价格方面的图，这三条线是怎么看?

蔡振宇：红颜色的是硅基的，蓝颜色的是氮化镓，绿颜色的是我们的比率，就是我比它贵多少，比如说这个点我是他的3倍，这个点是2倍，这边是1.5倍。我们目标预期2017年、2018年很接近，其实现在这个已经很接近了。

现场提问：产能有没有问题?

蔡振宇：没有什么问题。现在在我们富士通做的晶元，基于6寸的，产能基本上一年几千、几万片不成问题。如果这个卖得好可以做半导体的厂，目前完全可以满足客户的要求。

现场提问：影响应用的主要是两大因素，除了价格以外，价格我们很清楚。另外一个是驱动电路的设计，你刚才也说到，你们的做法是不完全兼容，兼容一定会出问题，需要重新设计的。有一些电子厂家是跟第三方合作的，做前面的电路，你们的方案是什么?

蔡振宇：您可以关注一下TI的网站，里面有专门的设计配板，我们富士通以前没有卖的时候就找到TI就问能不能做适合的，实际操作下来我们发现我们对芯片不是很挑，但是我们挑的是信号，就是你的信号尽可能的离我们比较近，这是目前的解决方案，就是我们对这个芯片没有特别的要求，但是像前面的讲的，频率很高会带来板自身参数的问题，所以我们会让客户没有PCB板的问题，就看你的设计是不是特别接近我们的产品。对于EMI的设计来说，我们在美国和日本有专门的AE帮客户解决EMI的问题。我们前面讲到电源的EMI都是我们做的。今年有很多项目会量产，通过跟其他公司的合作我们也可以进一步的提升。