大功率LED关键材料GaN开始侵食硅功率MOSFET市场

超级半导体材料GaN(氮化镓)的时代正开启。它比传统的硅和GaAs(砷化镓)更加耐压，已成为大功率LED的关键材料之一，并在射频领域中受宠，其中包括Cree、RFMD以及Eudyna和Nitronex推出针对这些市场的GaN产品。另外包括IR、ST、富士通、松下，以及新晋的EPC(宜普)公司等都介入到GaN器件市场。iSuppli数据预测GaN器件的TAM到2013年达到109亿美元，而EPC产品的潜在市场价值70亿美元并将以11.1%的年增长率增长，该公司的共同创始人和CEO Alex Lidow如是表示。

2004年，Eudyna推出基于SiC基板的耗尽型GaN射频晶体管；随后Nitronex推出硅基耗尽型GaN射频晶体管。而IR年初也推出的其首款硅基GaN功率器件――耗尽型的iP2010和iP2011。而与竞争产品不同，EPC推出了增强型GaN功率晶体管，其硅基GaN技术建立于150mm晶圆的标准硅CMOS工艺。在GaN和硅基底中间，有一个氮化铝隔离层(见图1)。

据Alex介绍，其产品最潜在的市场机遇是替换功率MOSFET。

图1：EPC的增强型GaN器件结构，其可以用标准CMOS工艺制造

有意思的是，EPC与Alex的前东家IR(国际整流器)将在GaN功率市场上共舞，并都断言传统的硅功率MOSFET性能的发掘已到极限。尽管GaN开始侵食功率MOSFET市场，但其供应商决不会轻易将30年来创建的市场拱手相让。Alex认为，5年之内，硅MOSFET仍将活跃在功率市场。

该公司目前在40Ｖ、100V和200V领域已各有两款产品，2010年底将推出400V和600V的GaN产品，届时将可覆盖90%的现有功率MOSFET市场，而移动设施、笔记本电脑、服务器和交换机/集线器将是其产品渗透率最高的市场领域。譬如，服务器的功耗成本几乎等于服务器本身，一个双处理器的服务器卡消耗的450W功率中，有160W在电源转换过程所消耗，而GaN技术可以将总服务器功耗降低18%。

但使用突破性新材料的半导体产品如何才能保证获取市场上的成功？Alex认为成功将需要4大要素：支持新功能的潜在能力、易于使用、成本效益和更可靠。

Alex相信，随着新的GaN晶体管快速覆盖当前功率MOSFET/IGBT的电压/电流范围，其在AC/DC、同步整流和PFC中都将明显提升性能。而增强型GaN晶体管与功率MOSFET非常类似，因此设计人员可以充分利用已有的设计经验。但他同时提醒，GaN晶体管的栅穿效应(gate rupture)比功率MOSFET更加敏感，因此要注意ESD保护，以及其高频特性也要求设计人员在设计PCB版图时多加小心。

对于给定器件面积的电源转换产品而言，导通电阻RDS(ON)是成本的决定性因素，而由于GaN器件比硅器件更加耐压，对导通电阻的负面影响更小。EPC的200V GaN器件的导通电阻为25微欧，且由于采用倒装技术，也可进一步降低成本。然而，当前硅基GaN的外延生长要比硅外延昂贵得多。

表：增强型GaN晶体管与硅MOSFET制造成本对比。

但Alex指出，随着GaN器件的广泛采用，5年后GaN外延生长的成本有望接近硅外延生长的成本(见表1)。而在可靠性方面，Alex表示，从业界公布的数据和EPC的测试数据来看，GaN技术已在商业应用中表现出可接受的水平。因此他坚信在台湾的汉磊科技(Episil)的晶圆代工支持下，EPC的巨大产能蓄势待发。