引言
氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）同屬第三代半導(dǎo)體，相比硅基半導(dǎo)體（Si），具有禁帶寬度更寬、高耐壓、熱導(dǎo)率、電子飽和速度更高的特點，能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對半導(dǎo)體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻要求。而相對于SiC在高耐壓和大工作電流方面具有的優(yōu)勢，GaN更有望在100~600V中等耐壓范圍內(nèi)，憑借出色的擊穿場強和電子飽和速度，實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)（高頻率工作）性能。如圖1所示。
圖1：功率器件的適用范圍
針對要求小型化、低功耗的5G和PD快充適配器等產(chǎn)品，僅憑目前主流半導(dǎo)體材料Si已無法滿足需求，這使得包括GaN HEMT在內(nèi)的新型功率半導(dǎo)體必不可少。與Si相比，GaN具有低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)等優(yōu)異特性。在同樣需要節(jié)能和小型化的應(yīng)用中，它也可以滿足一次電源（服務(wù)器、適配器、普通電源）市場的需求。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，GaN的市場規(guī)模也在不斷擴大。據(jù)Yole Group預(yù)測，從2022年到2028年，GaN功率器件市場將以49%的復(fù)合年增長率快速增長，市值將從2022年的1.849億美元增長至20.4億美元。如圖2所示。
圖2：一次電源市場需求
羅姆認為，除了消費領(lǐng)域，工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用已成為GaN增長的催化劑。在這些應(yīng)用中，巨大的功耗已成為一個亟待解決的問題。在電源中使用高電源轉(zhuǎn)換效率的GaN可以顯著減少能源消耗，同時滿足縮小應(yīng)用尺寸和厚度的行業(yè)發(fā)展要求，為節(jié)能環(huán)保做出貢獻。基于多年積累的豐富半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝技術(shù)，羅姆開發(fā)了顛覆傳統(tǒng)的GaN品牌——EcoGaN?系列產(chǎn)品，旨在進一步實現(xiàn)應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化。
什么是EcoGaN?？
EcoGaN? 是羅姆開發(fā)的GaN器件關(guān)聯(lián)系列產(chǎn)品的品牌，旨在通過更大程度地發(fā)揮GaN的性能，實現(xiàn)GaN的穩(wěn)定控制。該品牌不僅包括GaN HEMT單品，搭載GaN的、內(nèi)置控制器的IC也包含其中。EcoGaN? 系列產(chǎn)品有助于進一步降低應(yīng)用產(chǎn)品的功耗，實現(xiàn)外圍元器件的小型化，減少設(shè)計工時和元器件數(shù)量等，助力應(yīng)用產(chǎn)品進一步節(jié)能和小型化。圖3為羅姆EcoGaN? 標識。
圖3：羅姆EcoGaN? 標識
GaN HEMT的穩(wěn)定可靠對于GaN器件的全面推廣至關(guān)重要，而基于GaN-on-Si襯底的高質(zhì)量制造技術(shù)是生長GaN外延層的關(guān)鍵。早在2006年，羅姆就開始研發(fā)氮化鎵產(chǎn)品。憑借其多年來為量產(chǎn)可靠的LED產(chǎn)品開發(fā)的基本外延和生長技術(shù)，羅姆將其應(yīng)用于GaN HEMT，為需要長期可靠性的市場提供穩(wěn)定的供應(yīng)。
歷經(jīng)20年左右的持續(xù)研發(fā)，2021年，羅姆確立了8V柵極-源極額定電壓技術(shù)的150V GaN器件技術(shù)；2022年，羅姆首次量產(chǎn)第一代EcoGaN? 系列150V耐壓的GaN HEMT。憑借其獨特的結(jié)構(gòu)，羅姆成功地將柵極-源極額定電壓從普通GaN產(chǎn)品的6V提高到8V，提升了GaN器件電源電路的設(shè)計裕度和可靠性。2023年4月，羅姆又量產(chǎn)了650V耐壓GaN HEMT，至此同時提供了150V和650V GaN分立式器件。
此外，為了充分提高GaN HEMT的低損耗和高速開關(guān)性能，使器件應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠， 羅姆不僅注重提高GaN HEMT單體的性能，還不斷改進驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)，讓GaN器件在各種應(yīng)用中進一步普及。
·“EcoGaN?”是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。
創(chuàng)新型電源解決方案解決GaN應(yīng)用課題
1. 柵極驅(qū)動器與GaN相結(jié)合
羅姆在推出支持高速開關(guān)的GaN器件的同時，還開發(fā)出可更大程度地激發(fā)出GaN器件性能的超高速驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動器IC“BD2311NVX-LB”，實現(xiàn)了納秒（ns）量級的柵極驅(qū)動速度，從而使GaN器件可實現(xiàn)高速開關(guān)。通過最小柵極輸入脈寬為1.25納秒的高速開關(guān)，助力應(yīng)用產(chǎn)品實現(xiàn)小型化、進一步節(jié)能和更高性能。此外，ROHM官網(wǎng)上提供配備BD2311NVX-LB、150V GaN和高輸出功率激光二極管的LiDAR用參考設(shè)計。通過參考設(shè)計，有助于減少應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)工時，如圖4。詳情請見：https://www.rohm.com.cn/reference-designs/refld002
圖4： LiDAR用參考設(shè)計
2. DC-DC控制器與GaN器件相結(jié)合
GaN器件因其具有高速開關(guān)的特性優(yōu)勢而被廣泛采用，然而，如何提高控制IC（負責GaN器件的驅(qū)動控制）的速度已成為亟需解決的課題。
在這種背景下，羅姆進一步改進了在電源IC領(lǐng)域確立的超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control?”，成功地將控制脈沖寬度從以往的9ns縮短到2ns的業(yè)界超高水平，并通過與GaN HEMT組合實現(xiàn)了高速開關(guān)。采用該技術(shù)的DC-DC控制器IC（開發(fā)中）和EcoGaN? 電源電路比普通產(chǎn)品的安裝面積減少了86%，如圖5所示。適用于基站、數(shù)據(jù)中心、FA設(shè)備和無人機等眾多領(lǐng)域，將為實現(xiàn)應(yīng)用的顯著節(jié)能和小型化做出貢獻。
圖5：GaN器件與Si器件電源電路尺寸比較
3. 集柵極驅(qū)動器和GaN于一體的Power Stage IC
與Si MOSFET相比，GaN HEMT的柵極處理很難，必須與驅(qū)動?xùn)艠O用的驅(qū)動器結(jié)合使用（圖6）。
圖6： 使用GaN器件時面臨的問題
羅姆結(jié)合所擅長的功率和模擬兩種核心技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)出集功率半導(dǎo)體——GaN HEMT和模擬半導(dǎo)體——柵極驅(qū)動器于一體的Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”。該產(chǎn)品的問世使得被稱為“下一代功率半導(dǎo)體”的GaN器件輕輕松松即可實現(xiàn)安裝。如圖7所示。
圖7： EcoGaN? Power Stage IC簡介
新產(chǎn)品中集成了新一代功率器件650V GaN HEMT、能夠更大程度地激發(fā)出GaN HEMT性能的專用柵極驅(qū)動器、新增功能以及外圍元器件。另外，新產(chǎn)品支持更寬的驅(qū)動電壓范圍（2.5V～30V），擁有支持一次側(cè)電源各種控制器IC的性能，因此可以替換現(xiàn)有的Si MOSFET。與Si MOSFET相比，器件體積可減少約99%，功率損耗可降低約55%，因此可同時實現(xiàn)更低損耗和更小體積。
EcoGaN?產(chǎn)品路線圖
今后，隨著GaN器件的性能的進一步提高和陣容擴充，羅姆將持續(xù)推進用于驅(qū)動GaN HEMT的、內(nèi)置控制器的器件和模塊的開發(fā)，進一步加強電源解決方案。其中包括，具有低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)性能的產(chǎn)品——150V耐壓產(chǎn)品（第二/三代）；內(nèi)置驅(qū)動器和控制器的GaN模塊；650V耐壓的新封裝（TOLL封裝）產(chǎn)品等，如圖8所示。
關(guān)于前述Power Stage IC產(chǎn)品，羅姆計劃2024年量產(chǎn)搭載偽諧振AC-DC電路或功率因數(shù)改善電路、以及搭載半橋電路等產(chǎn)品。并且，截至2026年，計劃陸續(xù)量產(chǎn)將GaN HEMT、柵極驅(qū)動IC、控制IC集成在同一封裝的產(chǎn)品。羅姆將繼續(xù)為用戶提供各種形式的EcoGaN?解決方案，方便用戶更加便捷地搭載GaN器件。
圖8：EcoGaN?相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品路線圖
總結(jié)
羅姆將繼續(xù)擴充“EcoGaN?”系列產(chǎn)品陣容，助力應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化發(fā)展。并且，為用戶提供更加便捷地發(fā)揮GaN性能、更大程度地激發(fā)其強大潛能的電源解決方案，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻力量。
