松下和富士通半导体等众多企业进军了此前只有两家企业涉足的GaN类功率元件市场。其中，还有从事SiC制功率元件业务的罗姆和意法半导体等企业。

　　松下将在2011年内启动新的电子元器件业务——采用GaN半导体材料的功率元件(晶体管和二极管等)业务。作为继现有硅(Si)材料之后的新一代材料之一，GaN目前已经受到了很多产品厂商的关注。

　　松下首先将面向白色家电使用的逆变器和通用电源中的PFC(功率因数校正电路)等，投产耐压为600V级的GaN类晶体管和二极管注1)。另外，还会在基本同一时期开始提供该晶体管专用的栅极驱动IC和采用GaN类功率元件的PFC专用控制器IC。松下还计划2012年上市配备GaN类晶体管的模块产品。

　　注1) 本文用GaN“类”功率元件来表述采用GaN的功率元件是因为其中使用了GaN和AlGaN等GaN类半导体。另外，使用硅(Si)或碳化硅(SiC)的功率元件一般是以Si或SiC为基础注入了杂质的半导体，所以表述为Si“制”和SiC“制”。

　　企业纷纷涉足

　　涉足GaN类功率元件业务的不只是松下。此前上市产品的企业只有美国国际整流器公司(International Rectifier，IR)和美国风险企业宜普电源转换(Efficient Power Conversion，EPC)两家公司，不过在2011年下半年至2012年期间，将有大量企业进军该领域(图1)。

图1：各企业相继涉足GaN类功率元件业务

GaN类功率半导体能否成为新一代功率半导体的主角？(下)

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　　松下和富士通半导体等众多企业进军了此前只有两家企业涉足的GaN类功率元件市场。其中，还有从事SiC制功率元件业务的罗姆和意法半导体等企业。

　　例如，在日本国内，富士通半导体为了在2012年全面量产，“目前正热火朝天地进行量产准备”(多位富士通相关人士)。计划首先用于服务器电源。

　　海外企业方面，率先供货产品的IR和EPC计划进一步扩充产品阵容。因美国谷歌向其出资2000万美元而备受关注的美国风险企业Transphorm也将上市GaN类功率元件。

　　2011年下半年至2012年间将大量上市的是GaN类晶体管。因为GaN类晶体管与二极管相比制作简单，可利用GaN的特点等。例如，将上市耐压为 600V、输出电流为10～40A左右的GaN类晶体管。目标是取代Si制低耐压IGBT和超结(Super Junction)构造MOSFET等。

　　除了元件厂商外，作为客户的电源厂商和产品厂商的关注度也在不断提高。据经营GaN类功率元件专用栅极驱动IC的美国国家半导体(National Semiconductor)介绍，“来自通信设备厂商和电源厂商的业务咨询增多”。据悉2012年前后GaN类功率元件将与该公司的IC一起配备在通信设备上。

　　可降低电力损耗、缩小产品尺寸

　　之所以有众多企业关注GaN，是因为其材料特性比Si出色。如果用于功率元件，可降低逆变器等的电力损耗，缩小逆变器尺寸。

　　例如，可将逆变器的电力损耗降低约60%以上(图2)。因为可降低导通损耗和开关损耗等。GaN类功率元件的导通电阻较低，因此能降低导通损耗。另外由于栅极容量也比较小，可进行高速开关(图3)。由此可减少开关损耗。

图2：降低逆变器损耗

　　利用GaN类功率元件可大幅降低电力损耗(a)。例如，用于逆变器电路时，可较Si制功率元件提高效率(b)。低负荷(低输出)工作时效果尤其明显。(图由本站根据松下的数据制作)

图3：开关速度快

　　GaN类功率元件容易提高开关速度。与Si制IGBT相比，打开时的启动时间和关闭时的关断时间较短。图为松下的数据，GaN类功率元件采用了该公司的GIT。

GaN类功率半导体能否成为新一代功率半导体的主角？(下)

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　　GaN类功率元件还有助于实现电力转换器等的小型化。原因包括电力损耗小、容易提高开关频率、耐热性高等。由于电力损耗小，电力转换器的发热量相应减少，即使热容量随着转换器尺寸的小型化而减小，温度也不易上升。

　　另外，GaN类功率元件能以数MHz的高开关频率驱动电力转换器，因此可缩小电感器等电力转换器的构成部件。此外，耐热性较高，能在接合温度为200℃左右的高温下工作也是其一大优势。由此，可缩小电力转换器的冷却机构或者直接省略不用。

　　解决了三项课题

　　虽然GaN类功率元件具备诸多优点，但此前存在着三大课题，以至于一直未能实现实用化。首先，难以降低成本。可用于GaN类功率元件的基板或者口径小，或者价格高。

　　其次，电气特性不充分。GaN虽然拥有出色的材料特性，但作为功率元件使用时，在电气特性方面不如Si制功率元件。

　　第三，促进有效利用GaN类功率元件的周边技术研发滞后。例如，此前没有用来驱动GaN类晶体管的专用栅极驱动IC。因此，需要通过离散部件构成栅极驱动电路。

　　但现在这种情况正在发生巨大变化(图4)。通过不断降低GaN类功率元件的成本、采用价格低且口径大的Si基板，有望实现与Si制功率元件相当的低价格。

图4：GaN类功率元件的课题将得到解决

　　GaN类功率元件存在的三项课题有望得到解决。成本降低正逐渐取得眉目、电气特性得到提高、使用GaN类功率元件所需的周边技术正在逐步完善。

　　电气特性也得到了大幅提高。逊色于Si制功率元件的方面基本都有望解决。低损耗和高频工作等能够发挥出GaN类功率元件特点的周边技术也在逐步完善。

　　除此之外，Si制功率元件的性能提高遭遇障碍也加快了GaN类功率元件的研发速度，例如导通电阻和栅极容量的降低受阻。

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　　GaN向SiC发起挑战

　　GaN类功率元件通过完善周边技术等，已经能够实际投入使用。作为新一代功率半导体之一，终于追赶上了率先实现实用化的SiC。

　　在需要大幅削减电力转换器的电力损耗以及强烈要求其实现小型化的用途中，一般利用GaN和SiC。采用两种材料的功率元件可根据利用产品的电力容量和开关频率区分使用。如果按电力容量区分，低～中容量用途采用GaN，高容量用途采用SiC(图5)。

图5：GaN用于低容量或高频动作的产品

　　在电力容量小、开关频率高的用途中，可发挥GaN类功率元件的特点。而SiC预计将用于电力容量大，开关频率不太高的用途。(图由本站根据松下的资料制作)

　　根据元件的耐压来看，耐压为600V以下的低～中耐压产品使用GaN，耐压为1.2kV以上的高耐压产品使用SiC。例如，笔记本电脑的AC适配器使用GaN、电车逆变器装置使用SiC。

　　另外，在耐压为600～1.2kV的范围内，采用GaN的可能性较高。原因有两点：一是GaN有望较SiC降低价格。“如果是耐压为 600～1.2kV的产品，GaN类功率元件的价格可降至SiC的一半”(某GaN类功率元件的技术人员)。因为Si基板和SiC基板的价格及口径大不相同。按单位面积的基板价格比较，SiC基板可达到Si基板的数十倍。

　　口径方面也是GaN类功率元件利用的Si基板较大。Si基板的口径目前为6英寸。将来还计划扩大至8英寸。而SiC基板只有4英寸，6英寸产品的样品供货预定2012年开始。按照这种进程，能在功率元件产品中大量使用6英寸SiC基板要到2015年前后。在基板的大口径化方面SiC处于下风。

　　GaN在耐压600～1.2kV范围内得到采用的可能性较高的另一个原因在于，攻克了之前不如SiC的阈值电压和耐压课题。GaN类晶体管的阈值电压约为+2V，与SiC制MOSFET基本相同。

　　耐压也有望确保600V。另外，随着耐压的不断提高，技术上“确立了”(多位GaN类功率元件技术人员)最低1.2kV的耐压。因此，在要求1.2kV耐压的用途中，GaN类功率元件也将与SiC一样成为候补。

　　此外，还出现了实现1.2kV以上耐压的研究成果，此前认为适合使用SiC的高耐压产品还有望采用GaN类功率元件。

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