摘要：  Si之后的新一代功率半導體材料的開發(fā)在日本愈發(fā)活躍。進入2013年以后，日本各大企業(yè)相繼發(fā)布了采用SiC和GaN的功率元件新產品，還有不少企業(yè)宣布涉足功率元件業(yè)務。

關鍵字：  GaN功率元件，MOSFET

其中，變化較大的是GaN功率元件。最近，耐壓600V的新款GaN功率晶體管紛紛亮相。耐壓600V的功率晶體管可用于空調和電磁爐等白家電、混合動力汽車和純電動汽車的逆變器、太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的功率調節(jié)器，以及工業(yè)設備中使用的輸出功率為數百W～數十kW的電力轉換器。

這些用途對高效和小型化的需求不斷高漲，因此，與原來的Si制IGBT和MOSFET相比，電力損失較小且可實現(xiàn)小型化的GaN功率晶體管，受到了業(yè)界的熱切關注注1)。

注1)例如，安川電機試制出了采用GaN晶體管的家用電源調節(jié)器，并宣布2014年投產。

圖1：企業(yè)紛紛發(fā)布新一代功率元件新產品

進入2013年以后，日本企業(yè)紛紛發(fā)布利用GaN和SiC的功率元件產品。其中，GaN功率元件相關措施大幅增加。

伴隨著耐壓600V的GaN功率晶體管的不斷面世，設備廠商不僅有了更多的部件可選性，而且多家GaN功率元件廠商的相互競爭，還使得價格越來越低，形成了更加便于采用GaN功率晶體管的局面。

此前，GaN功率晶體管產品的耐壓多為200V以下，耐壓600V產品達到實用水平的只有美國Transphorm公司一家。此次，松下和夏普宣布全新涉足GaN功率元件業(yè)務，并發(fā)布了使用6英寸口徑Si基板的新產品(表1)。松下于2013年3月，夏普于4月15日已經分別開始樣品供貨耐壓600V產品。

另一方面，之前一直利用SiC基板的Transphorm也發(fā)布了使用6英寸口徑Si基板制作的600V耐壓GaN功率晶體管，并于2013年3月開始銷售注2)。

注2)Transphorm還推出了GaN功率二極管產品。另外，該公司還與日本英達就GaN功率元件的量產和銷售進行合作，在日本英達的筑波事務所引進了支持8英寸口徑的前工序生產線。

除松下、夏普及Transphorm外，富士通半導體預定2013年下半年上市采用Si基板的耐壓600V產品，美國國際整流器公司(International Rectifier，IR)和美國EPC也在致力于研發(fā)耐壓600V的產品。

可常閉工作

另外，對于GaN功率晶體管來說，此前元件很難實現(xiàn)“常閉工作”，但此次卻投產了可實現(xiàn)“常閉工作”的產品(圖2)。常閉工作是指只有在柵極施加電壓時才導通，這是電力轉換器出于安全考慮需求強烈的一個功能。

圖2：常閉工作的實現(xiàn)方法有2種

橫型GaN功率晶體管實現(xiàn)常閉工作的方法大致有2種。通過元件本身或級聯(lián)方式實現(xiàn)。二者均有利弊。左側是松下元件的概略圖。

此前的元件為常開工作，通過級聯(lián)耐壓數十V的Si MOSFET，與GaN功率晶體管集成在一個封裝內。這種構造雖然可輕松沿用現(xiàn)有Si制元件的柵極驅動電路，但開關頻率很難以數百k～數MHz的高頻工作。而GaN正好具有這樣的高頻響應特點。

相反，如果元件可以常閉工作的話，則便于在高頻狀態(tài)下工作注3)。向市場投放可實現(xiàn)常閉工作產品的是松下。常閉工作有多種實現(xiàn)方法，松下采用了在柵極正下方設置p型AlGaN層的方法。與其他實現(xiàn)方法相比，該方法更易降低導通電阻。松下產品的導通電阻為65mΩ，為級聯(lián)產品的一半左右。

注3)不過，可實現(xiàn)常閉工作的GaN功率晶體管的閾值電壓較低。閾值電壓越低，就越有可能受到電磁噪聲導致的誤動作的影響。

除松下以外，EPC和富士通半導體也在致力于開發(fā)常閉工作的實際產品。

激烈的價格競爭

隨著GaN產品數量的增加，設備廠商的選擇范圍越來越大，而從事GaN功率元件業(yè)務的半導體廠商，今后則將面臨激烈的價格競爭。這是因為，GaN功率元件市場一旦成立，韓國、中國大陸及臺灣等亞洲地區(qū)的半導體廠商均有可能涉足該業(yè)務。由于可以沿用此前邏輯LSI等利用的、支持6～8英寸口徑Si基板的制造裝置，以及面向LED等引進的GaN類半導體的外延裝置等，能夠輕松涉足這一市場。為了避免與存儲器和LED等同樣的厄運，日本企業(yè)必須制定周密的業(yè)務戰(zhàn)略，包括構筑海外生產基地等。