GaN竞赛中，罗姆如何取得领先优势？
作者: 付斌
SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）作为第三代半导体材料两大代表，在市场应用中愈发具备自己的特色。许多公司为了布局更全的产线，发挥二者的专长，均采用“Si+SiC+GaN”的策略，打造三代半功率器件“双料冠军”。
罗姆半导体（ROHM）作为功率器件的领先厂商，产品不仅涵盖IGBT、SJ-MOSFET、SBD、FRD和SiC器件，也包括GaN。那么，罗姆的GaN器件与市面上的产品有什么不同，又拥有什么优势？
GaN，强在哪里？
纵观现在的功率器件市场，Si、SiC、GaN是占比最大的三种产品。与应用了50多年的Si和20多年的SiC相比，GaN相对更年轻。
对许多人来说，一直存在一个疑问，同属宽禁带（WBG）半导体化合物的GaN与SiC有着相近的特性，两种材料究竟该如何应用？
“从特性来看，GaN的近代宽带更宽、击穿场强更高、电子饱和速度更快，这意味着，对比SiC，GaN的电子和空穴融合更快，换句话说就是开关速度快，可以用更高频减少损耗，频率也更高。”罗姆半导体(北京)有限公司技术中心总经理水原德健这样介绍道。
从器件上来看，GaN与Si和SiC普遍使用的纵向结构的FET/MOSFET不同，GaN通常使用HEMT，同时多以横向结构为主，从下到上分为衬底（substrate）、缓冲层（buffer）、GaN外延层（epitaxy）与AlGaN势垒层（barrier），这种平面结构电流一般由右到左。
之所以市场还没出现纵向结构的GaN器件，在于此结构需要用到GaN自支撑衬底，而目前来看，GaN自支撑外延片的成本较高，且GaN自支撑衬底的外延片尺寸较小，这就使得单个器件的成本更高。同时GaN纵向结构的器件并没有利用到GaN材料最大的优势——2DEG（二维电子气），而横向结构的器件则能很好地利用到这一特点。
从应用角度来看，以耐受电压600~1200 V为界，SiC能利用其特性生产更高耐压的产品，目前量产产品包括1200V、1700V，开发中产品已经达到3300V、5000V以上；GaN虽然禁带宽度也很宽，但在现在很少有高压产品，以650V为主，更偏向于高频市场，凭借出色的击穿场强和电子饱和速度，GaN更有望在100~600V中等耐压范围内，实现低导通电阻和高速开关（高频率工作）性能。
未来若GaN材料晶体质量能进一步提高，体材料缺陷密度进一步减小，或纵向结构GaN器件技术成熟度更高，其也会在高电压市场中展现出更强大的竞争力。不过，这都是将来需要考虑的问题，现在，如何充分利用好SiC和GaN的优势是关键。
SiC与GaN并驾齐驱
对罗姆而言，在不同领域发挥每种器件的特性是这家公司的长期宗旨，从产品划分角度来看，IGBT、Si MOSFET（超结MOS）、SiC MOSFET、GaN HEMT有着不同的适用范围。
具体而言，SiC适用于大功率、高电压（大于600V）、高频率（20kHz～200kHz）的应用，包括EV逆变器、HV DC-DC、OBC、服务器电源（一次侧）、太阳能、风力、工业设备电源等；GaN适用于中等功率、中等电压（100V～600V）、高频率（200kHz以上）的应用，包括数据中心服务器电源、基站电源、小型AC适配器（消费电子）、车载OBC、48V DC-DC等。
可以说，现在罗姆现在正在推动宽禁带半导体的双轮驱动，让GaN在现有领域释放最大的性能。
根据水原德健的介绍，GaN的研究缘起于2010年，2015年陆续有产品进入市场，彼时以手机快充和小型PV（光伏）产品，虽然快充头出货量大，但对GaN来说，整体需求量并不是很大。
Yole Group预测显示，从2022年到2028年，GaN功率器件市场将以49%的复合年增长率快速增长，市值将从2022年的1.849亿美元增长至20.4亿美元。
罗姆在GaN领域，已经拥有将近20年的历史。
自2006年开始，罗姆便开启GaN的研发；2021年，推出能够承受150V的GaN器件技术，是一个罗姆在GaN领域重要的里程碑；2021年罗姆首次量产耐压为150V的GaN HEMT；2023年3月，又确立了能够更大程度地发挥出GaN性能的控制IC技术，即将LSI技术和电源技术相结合，罗姆将有助于应用产品的节能和小型化的GaN器件命名为“EcoGaN™系列”，并不断致力于进一步提高器件的性能；2023年4月，开始量产650V耐压产品。
解决客户使用GaN的难题
罗姆的EcoGaN™与市面的GaN产品有哪些不同？如果用一句话总结，就是更加侧重于解决客户使用GaN时存在的课题。
首先，GaN的驱动是5V，但是市场所有的产品都是6V，中间的余量只有1V，杂波等各种问题都会影响可靠性。解决这种问题的方法普遍通过，增设电容来解决过充的额定电压，这种方式通常需要外置9颗器件，导致工程师增加了额外的设计工作，系统成本也较高。
罗姆的产品则通过独特技术，将GaN的闸极–源极额定电压提升至8V，通过增加针对过冲电压的电压裕度，可以更大程度地优化电源电路的效率。
其次，为了最大限度地提高GaN HEMT的低损耗和高速开关性能，并在应用中实现稳定的性能，除了器件本身鲁棒性之外，还需要能够提供稳定控制的专用IC，而专门的驱动器，不仅增加了设计复杂度，也额外增加了系统成本。
为了应对这一挑战，罗姆为GaN HEMT开发了基于模拟的IC设计技术，集成了新一代功率器件650V GaN HEMT、能够更大程度地激发出GaN HEMT性能的专用栅极驱动器、新增功能以及外围元器件，以满足新的市场需求。简单解释，就是将GaN(GaN)功率半导体和驱动集成电路（IC）放在在一个封装上。
值得一提的是，在开关技术方面，罗姆的Nano Pulse Control™️，一种超高速脉冲控制技术，它可以将控制脉冲宽度从以往的9ns缩短到2ns的业界超高水平，并通过与GaN HEMT组合实现了高速开关。
最后，为了客户更好更方便地应用GaN，罗姆推出了将栅极驱动用驱动器和GaN HEMT一体化封装的Power Stage IC。
现有电路大多还是基于Si MOSFET，但是Si MOSFET驱动是12V驱动。与之相悖的是，GaN的驱动是5V，无法直接进行替换，客户只能修改电路。
Power Stage IC的栅极驱动器正是解决上述问题的关键，可以将12V转为5V，这样客户就可以使用现有电路直接使用Power Stage IC。
150V和650V两大产品线
从产品方面来看，罗姆主要包括150V和650V两大阵容。
150V GaN HEMT在一年前开始量产，包含GNE1040TB和GNE1008TB两个系列。该产品采用ROHM自有结构，将栅极-源极间额定电压提高至8V；采用支持大电流且具有出色散热性的封装；在高频段的电源效率高达96.5%以上。
650V EcoGaN™(GaN HEMT) Power Stage IC于去年4月开始量产，拥有GNP1070TC-Z、GNP1105TCA-Z两个系列。它们支持更宽的驱动电压范围（2.5V～30V），拥有支持一次侧电源各种控制器IC的性能，因此可以替换现有的Si MOSFET（超结MOS）。
与Si MOSFET相比，器件体积可减少约99%，功率损耗可降低约55%，因此可同时实现更低损耗和更小体积。
继续扩充产品阵容
为了更大程度激发GaN器件性能的超高速驱动控制IC技术，扩充下一代内置650V GaN HEMT的EcoGaN™ Power Stage IC的产品阵容，水原德健表示，罗姆计划2024年量产搭载伪谐振AC-DC电路或功率因数改善电路、以及搭载半桥电路等产品。
随着GaN器件的性能的进一步提高和阵容扩充，未来，罗姆将持续推进用于驱动GaN HEMT的、内置控制器的器件和模块的开发，进一步加强电源解决方案。
其中包括，具有低导通电阻和高速开关性能的产品——150V耐压产品（第二/三代）；内置驱动器和控制器的GaN模块；650V耐压的新封装（TOLL封装）产品等。
除了进一步扩充EcoGaN™ Power Stage IC意外以外，罗姆计划，截至2026年陆续量产将GaN HEMT、栅极驱动IC、控制IC集成在同一封装的产品。
