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什么是 GaN 功率器件 第一代半导体材料是以硅 (Si) 、锗 (Ge) 为主，第二代半导体材料是以砷化镓 (GaAs) 、锑化铟 (lnSb) 为主。以碳化硅 (SiC) 、氮化镓 (GaN) 、氧化锌 (ZnO) 、金刚石、氮化铝 (AIN) 为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 。 GaN 器件目前被称为 HEMT (High Electron Mobility Transistors) ，这种高电子迁移率的晶体管用于许多电子设备中，例如全控型电力开关，高频的放大器或振荡器。 其主要优势是高频特性、高功率密度。 南京芯干线科技的 GaN 为了满足电源设计中高频回路环路小的要求，设计了双门极驱动 GaN HEMT ，客户在进行 PCB LAYOUT 设计时可以可以根据实际灵活选用不同门级进行驱动电路设计，同时也大大缩小了 GaN HEMT 并联应用时的高频环路。具体如下图所示。 第三代半导体政策支持 “ 十四五 ” 开局以来，我国部分省份从原材料、芯片设计、晶圆加工及封测技术等多个角度提出了半导体分立器件制造行业相关的发展目标。 在 21 年 2 月份，工业与信息化部关于印发《基础电子元器件产业发展行动计划 (2021-2023 年 ) 》的通知，指出到 2023 年，优势产品竞争力进一步增强，产业链安全供应水平显著提升，面向智能终端、 5G 、工业互联网等重要行业，推动基础电子元器件实现突破，增强关键材料、设备仪器等供应链保障能力，提升产业链供应链现代化水平。 第三代半导体功率器件应用现状 根据 Yole 和 Omdia 调研显示，截止 2020 年底，碳化硅（ SiC ）和氮化镓（ GaN ）功率半导体的全球市场份额将增长到 8.54 亿美元， SiC 电力电子市场规模约为 7.03 亿美元， GaN 电力电子市场规模约为 1.51 亿美元。截止到 2025 年 SiC 电力电子市场规模将超过 30 亿美元， GaN 电力电子器件市场规模将超过 6.8 亿美元。 综合 Yole 、 IHS 、 Gartner 等多家市场分析机构数据及调研结果显示， 2020 年全球功率半导体器件市场规模约为 180~200 亿美元， SiC 、 GaN 电力电子器件渗透率约为 4.2%~4.5% ，较 2019 年提升一个百分点。 整体来看，根据 CASA 的跟踪， SiC 、 GaN 产品的价格近几年来产生了非常明显的下降， 2021 年较 2017 年下降了 50% 以上，而主流产品与 Si 产品的价差也在持续缩小，已经基本达到 3.5 倍以内，部分产品已经缩小至 2 倍，已经达到了性价比的甜蜜点。加上考虑系统成本（包括周边的散热、基板等成本）和能耗等因素， SiC 、 GaN 的模组已初步具备一定竞争力。随着产业链技术的稳步提升和过去几年的产能积累，在电动汽车、光伏逆变、消费类电子等细分市场的渗透速度或将快速推进。 GaN HEMT 、 Si MOS 、 SiC MOS 应用区别 从晶圆的设计流程看： （1） SI MOS 首先将晶棒进行切割，然后直接在 SI 片上剖光、最终进行外延，光刻、离子注入扩散、高温退火等工序，做成 MOS 管。 （2） SI 基 GaN HEMT 首先利用 SI 衬底上外延生长一系列的 III-V 族材料（例如 AlN, GaN, AlGaN ），然后通过光刻、化合物沉积等方式做成 HEMT 管。 （3） SIC MOS 是在升华法生长的碳化硅衬底上利用例如 CVD 工艺进行同质外延，再采用热氧化，离子注入和刻蚀的方式制成 MOS 器件。 结合以上信息，我们可以了解到，从材料上来讲， SIC 材料最贵，成本也最高。从制成上 GaN 的成本高于 SI 的成本。但是考虑到综合性价比， SIC 是适合应用在高温、高压大功率场景； GaN 适合应用在小体积、中小功率、高频、高功率密度场合； SI 适合应用在对成本要求比较高的低端消费类电子产品上。 结束语： 第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，极具性能优势第三代半导体 材料指带隙宽度明显大于 Si 的宽禁带半导体料，主要包括 SiC 、 GaN 、 金刚石等，因禁带宽度大于或等于 2.3 电子伏特，又被称为宽禁带半导体 材料。和第一代、第二半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、 高击穿场强、高饱和电子漂移速和高键合能等优点，可以满足现代电子技 术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求。第三代半 导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太 阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50% 以上 的能量损失，最高可以使装备体积减小 75% 以上，是半导体产业进一步跃进的基石。 参考文献： 1、 前瞻产业研究院《中国第三代半导体材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》 2、 品利基金：第三代半导体 SIC 、 GaN 行业投资报告 3、 2020 年中国第三代功率半导体材料应用需求行业市场产业研究报告

介绍了我的出身，介绍一下我的主要能力所在。在介绍我的能力之前，我们先来聊聊其他同门家族的朋友的主要能力吧。 Transform: 一个 GaN JEFT 和 MOS 管共封在一起的大力士兄弟，是行业内独树一帜的CASCODE结构，不但具有比一般 MOS 更高开关频率的特性，同时还可以比其他同类家族具有更高的功率带载能力，向上最大可以做到几千瓦功率。 Navitas: 一个全 GaN 的半导体器件，可以大大的简化驱动电路的设计。我们 GaN 类中的贵族大家庭，已经名冠全球，目前已经参与到了各大家族中的电源设备中，在消费类电子行业最是术业有专攻。 GaNsystem: 一个在技术上与我芯干线是同一主线的品牌。属于单 GaN HEMT 。依靠完美的性能、优秀的出身，据说已经开始了与宝马的爱情之旅。 XGaN ： XGaN ，也就是芯干线，也就是我了，技术流派与 GaNsystem 十分类似，具有完美的 GaN 功率器件的性能，下可以驱动几十瓦小电源，上可以拉得动几千瓦大模块。但是为了更好的服务于我们的客户，我的技术带头人有对我们的兄弟姐妹重新进行的优化升级，使之具有了与众不同的能力，例如： （1） 首先，我是双门极驱动，我的两个双门极其功能完全相同，工程师兄弟们进行方案设计的时候，可以根据需要驱动任何一个门级即可，大大的增加了驱动电路设计的灵活性。这也是我与其他 GaN 产品最大的不同之一。 （2） 其次，我的 Vgs 开启电压最小是 0.9 ，最大是 1.3 ，其 98% 以上的器件 Vgs 是 1.1 。阈值的离散性小，大大的简化了驱动电路设计，提高了 GaN 的可靠性。 （3） 再者，阈值电压随温升变化范围很小，从 25 ° C 到 125 ° C 的温升变化时只有 5% 左右。尤其适合应用在并联条件下，解决了 GaN 在大功率应用时的并联应用必须。 （4） 最后，除了以上三点优良品质，我还具有吃得少（成本低），干的多（内阻小、带载功率大）的优良品质。是 GaN 行业内不可多得的悍将！ 同样的，我们也在不断的进修学习中，我二哥今年年底就进修完成好了，具有了更大的能力和更小的损耗以及更强的散热能力，期待他的出现可以对我们家族的综合实力添砖加瓦。看到这里是不是对我们一家的主要能力有了初步的了解和简单的认识。 了解了我的兄弟姐妹的基本能力，那么我是怎么在电路中工作的呢，在后续的文章中我再详细描绘。 我出生在江南水乡的富饶之地，不但具有风吹草低见牛羊的力大无穷（目前最大可以做到2KW），同时也具备 杏花春雨润万物 的温润优雅（几十瓦也可以）。只需要一个机遇，给我一个支点，我就可以撬动地球（未来预期最大可以做到几十千瓦）。

我是南京芯干线科技大家庭的 GaN HEMT ，被半导体从业兄弟姐妹亲切的称为第三代半导体中的佼佼者。 我有很多的兄弟姐妹， XG6508B8 是我大哥，据说可以转换 2KW 的高频电源模块，当然了，需要全桥 LLC 搭把手相助。 XG6515A5 是我小弟，只能拉动 150W 的小型电源，当然了，他也是我们兄弟姐妹中的贫困户。我呢，是最抢手的 XG6510B8, 联手全桥 LLC 上可以够着 1.5KW ，弯腰向下一个人可以捡起 150W PFC ，当然了，这里也少不了我的 SIC 二极管堂兄 XD6504 的协助。兄弟们都称赞我为多面手。 除此以外，我还有很多的兄弟姐妹在我妈妈的怀中孕育。 我是业界新秀，我堂兄 XD6504D 与我小弟 XG6515B8 参与了某大厂适配器的配套，我大哥 XG6508B8 以 15*25*300 的傲人身材勇拿某 LED 户外屏大厂的电源市场。我小弟 XG6515B8 也由于优良的散热性能也在某植物照明大厂发挥着光和热。除此以外，我亦可以在 POE 电源、 PLC 电源等工业电源市场呈现出不俗的表现。凡是有 1KW 直流电源的地方，我逐渐打开了自己的一片天地。 我为什么那么优秀，因为我来自于多为经验丰富的归国博士和一群优秀工程师的巧夺天工。我为什么表现那么好，那需要从我的优良性能说起。 首先，我 GaN HEMT ，是硅 MOS 功率器件的部分替代品。具有更高的带隙，因此可以在不影响导通电阻的情况下支持击穿电压的大幅增加。 其次，我的临界 电场强度高于硅，给予我导通电阻和击穿电压之间的优越关系。这使得在同等参数下身材可以做得更小巧，我们是高电子迁移率晶体管（ HEMT ），随着行业的发展，我在 PD 电源行业已经崭露头角，虽然我的实力还不如其他世家子弟（例如 Navitas/GaNsystem ）表现的那么优秀，但是我在工业电源市场和 PD 快充市场逐渐站稳的脚跟。 再者说， 我可以提供比硅和 SiC 器件更高的电子迁移速率。高迁移率源于二维电子气在组分材料之间的界面处形成的方式。这里的载流子比硅等材料更自由地移动。因此，我更适合用于高频 开关 电路，并可以提供更高的效率，同时减小我周围电感、电容的参数。此外，我还能够在高温条件下工作对硅器件有挑战性。 我的高温操作可以减少硅基 电力能源转换 设备可能需要的散热器和冷却风扇的尺寸，从而可以进一步缩小电力电子设备的体积和重量的同时大幅度的延长设备的寿命，超出简单移动的范围更高频率的交换架构。 我很优秀，但是我也不是完美无缺，设计工程师在应用我进行设计产品时需要牢记如下因素：我需要相对较低的驱动电压和相对较小的驱动电流，否则很容易对我造成致命的伤害，在这方面，我家族中的兄弟姐妹的栅极驱动电平不应超过典型 GaN 器件的 6 V 最大额定值（我的家庭兄弟姐妹都是 6V 驱动的，务必请牢牢记住。），以避免对我的结构造成潜在损坏。很显然，类似于 SI 器件可以利用驱动变压器做驱动设计的方式在我这里完全行不通。 我很优秀，我本人 XG6510B8 是 DFN88 封装， Rdson 为 100mR, 在 25 度的恒定环境温度（ 25 度半导体恒温散热器）条件下，我可以稳定的工作在 8A 很多年不出现任何身体职能方面的损伤。因为这个负荷是可以发挥我最优性能的负荷。 我很优秀，我的兄弟姐妹（大哥 XG6505B8 和二哥 XG6508B8, 小弟 XG6515B8 和小妹 XG6515A5 ）也不差，我们都可以持续的在 1.5MHz 的高频下持续工作很多年仍然可以充满活力。 我很优秀，我们家有独一无二的优势功能，如果想进一步了解，请阅读后续文章。我会持续更新哟！

2020 年被称为第三代功率半导体的元年，既然是元年，第三代半导体的代表 GaN 和 SIC 以迅风不及掩耳之势杀进电源市场攻城略地，逐渐占领了一个个技术高地，推动了电源事业的发展。 以 SIC 二极管为例， SIC 二极管目前已经占领了绝对多数光伏汇流箱、光伏逆变器、充电桩电源、挖矿机以及 UPS 电源模块中。从应用来看，主要应用于替代传统的快恢复二极管。其主要的优势是极短时间的反向回复时间可以大规模的降低传统快恢复二极管的恢复损耗。 以 SIC MOS 为例， 1700V/1mR 的 SIC MOS 已经完全占领了 1500V 光伏平台的辅助电源市场。同样的 1200V 的 MOS 也被广泛应用于储能双向 PCS 和车载电驱动、这在 OBC 等新兴电源行业。引领着高密度电源向前发展。从应用替代性来看， SiC MOS 多应用于 1200V 的环境下替代 IGBT 和 IPM 模块等第一代功率半导体。 以 GaN HEMT 为例， GaN MOS 已经被广泛应用于适配器、 PD 电源中。但是就目前行业应用来看，多数适配器和 PD 电源公司的应用均是由 GaN 应用方案公司主导方案推广。 从以上几种对第三代半导体的应用替代进展来看，制约第三代半导体应用的难点主要为如下几方面： 1、 成本 不管是 SIC 二极管替代传统快恢复二极管、还是 SIC MOS 替代 IGBT ，更或者是 GaN HEMT 替代传统的 SI MOS ，其成本的大幅度提高无不是制约第三代半导体快速应用的巨大鸿沟。在第三代半导体材料成本的大规模降低之前，第三代功率半导体只能应用于对成本要求不高或者不敏感的行业，或者应用在新兴电源行业，占领行业制高点。推动公司品牌发展。 2、 应用技术难点 GaN HEMT 主要的优势在于高频特性，是目前唯一的可以进行 MHz （南京芯干线科技有限公司 (www.x-ipm.com ）的 XG6508B8 可以实现 1.5MHz 的开关频率）以上开关频率的功率器件，但是由于目前模块 PWM 控制器开关频率的限制，工程师 EMC 技术经验积累的缺失，目前 GaN HEMT 主要应用在 250KHz （该开关频率条件下 ST 和东微半导体的超级硅 MOS 同样可以实现）以内的 PD 电源行业。随着工程应用技术的发展，未来 GaN HEMT 的应用一定会在 300KHz 以上开关频率的电源产品上广泛应用。 GaN HEMT 应用也会由嘘头应用逐渐转变为性能应用，完全发挥 GaN HEMT 的优良特性。 SiC 功率器件衬底的高昂成本使其主要优势为高压、高温、大电流应用场景下 。 3、 上游原材料供给 目前第三代半导体的晶圆材料主要集中在国外材料厂家手里，国内可以量产的第三代半导体材料无论是价格和品质和国外相比都有不小的差距，同时由于国外技术和产品的禁运，目前国内第三代半导体的发展更是捉襟见肘。 在 SIC 方面， CREE 、 ROHM 、 INFINEON 三家占据市场近 90% 市场份额，虽然国内发展较快，布局较广，但是想要在激烈的市场竞争中分一杯羹，尚有很长的路要走。 4、 应用市场方向 在目前应用市场方向， SIC 主要应用在 1KW-500KW 之间的应用，开关频率主要定位在 10KHz 到 200KHz 以内的场景，特别是一些对能量效率和空间尺寸要求较高的场所，例如充电桩、光伏逆变器、汽车电驱动等场所。 就目前 GaN HEMT 应用市场来看，国内外很多 GaN HEMT 的产品应用主要集中在 30W--130W 之间的 PD 电源行业，尤其是国产 GaN HEMT 品牌，主要产品产品应用主要集中在 PD 电源行业（主要包含集成控制器、非集成控制器两种方案）。 GaNsystem 与宝马的合作首先让 GaN HEMT 的应用在汽车电子方向进行破局； X-IPM （南京芯干线科技有限公司）与某国产 LED 户外屏厂家的 240W GaN HEMT 电源率先在工业电源投入试产应用。 随着第三代半导体应用技术的成熟，未来会有越来越多的高功率密度电源走入消费类与工业汽车应用现场。 5、 第三代半导体厂家 （ 1 ） SIC 二极管 国际： CREE 、 ROHM 、 INFINEON 、 ST 、 ON 国内：泰科天润、基本半导体、厦门三安等 （ 2 ） SIC MOS 国际： CREE 、 ROHM 、 INFINEON 、 ST 、 ON 国内：泰科天润、基本半导体、厦门三安等 （ 3 ） GaN HEMT 国际： Navitas 、 GaNsytem 、 EPC 、 Transform 、 PI 国内：南京芯干线、英诺赛科、江苏能华、珠海稼未来等。 不详尽之处，敬请朋友们扶正补充。