市場(chǎng)和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：
據(jù)Yole Developpement的報(bào)告“Power GaN 2012”，GaN功率器件有巨大的市場(chǎng)空間，2011年半導(dǎo)體功率器件市場(chǎng)空間約為177億，預(yù)計(jì)到2020年該市場(chǎng)空間會(huì)增加8.1%，達(dá)到357億。應(yīng)用GaN功率器件的電源市場(chǎng)可能在2014年啟動(dòng)，然后迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展期，到2020年，不含國(guó)防預(yù)算有望實(shí)現(xiàn)20億美元的銷售。
目前，50%功率器件的生產(chǎn)線是6英寸的，很多工廠正在轉(zhuǎn)投8英寸生產(chǎn)線，2011年Infineon成為第一家引進(jìn)12英寸生產(chǎn)線的工廠。GaN功率器件也進(jìn)入了發(fā)展期，除了專注GaN的新進(jìn)公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半導(dǎo)體企業(yè)也紛紛介入GaN功率器件，有曾做硅的企業(yè)如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半導(dǎo)體的企業(yè)如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企業(yè)如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。對(duì)于GaN功率器件供應(yīng)商，IDM已成主流業(yè)態(tài)，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企業(yè)。目前，對(duì)GaN功率器件企業(yè)的投資額還在不斷增長(zhǎng)，2012年7月AZZURRO融資了260萬(wàn)歐元發(fā)展8寸GaN-on-Si外延片，同年10月Transphorm又籌集了3500萬(wàn)美元發(fā)展GaN功率器件，今年5月UK政府資助NXP 200萬(wàn)英鎊在Hazel Grove發(fā)展GaN功率器件。
技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：
1、GaN-on-Si材料
目前，4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用化，一些科研機(jī)構(gòu)和公司相繼報(bào)道了8英寸GaN-on-Si晶圓的研究成果[2，3]。2012年新加坡IMRE報(bào)道了200mm AlGaN/GaN-on–Si(111)晶圓。同年，新加坡The Institute of Microelectronics和荷蘭NXP宣布合作開發(fā)了200mm GaN-on-Si晶圓及功率器件技術(shù)。比利時(shí)IMEC、美國(guó)IR、美國(guó)IQE、日本Dowa和德國(guó)Azzurro等公司也正在開發(fā)200mm GaN-on-Si外延技術(shù)。
現(xiàn)在4英寸及以上的大直徑硅襯底上生長(zhǎng)GaN外延技術(shù)正在快速發(fā)展并終會(huì)走向成熟，目前面臨的主要問題如下：一是失配問題，硅襯底與GaN之間存在晶格常數(shù)失配、熱膨脹系數(shù)失配和晶體結(jié)構(gòu)失配。二是極性問題，由于Si原子間形成的健是純共價(jià)鍵屬非極性半導(dǎo)體，而GaN原子間是極性鍵屬極性半導(dǎo)體。三是硅襯底上Si原子的擴(kuò)散問題，降低了外延層的晶體質(zhì)量。
2、器件技術(shù)
n提高擊穿電壓
理論上在相同擊穿電壓下，GaN功率器件比Si和SiC功率器件的導(dǎo)通電阻更低，但是目前其性能遠(yuǎn)未達(dá)到理論值。研究發(fā)現(xiàn)主要原因是器件源漏間通過(guò)縱向貫通GaN緩沖層，沿Si襯底與GaN緩沖層界面形成了漏電[4]。因此當(dāng)前提高器件擊穿電壓的方案主要集中在以下三個(gè)方向：(1)改進(jìn)襯底結(jié)構(gòu);(2)改進(jìn)緩沖層結(jié)構(gòu);(3)改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)。
n實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型(常關(guān)型)器件
基于AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的器件是耗盡型(常開型)器件，而具有正閾值電壓的增強(qiáng)型(常關(guān)型)功率器件能夠確保功率電子系統(tǒng)的安全性、降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性等，是功率系統(tǒng)中的首選器件。因此，對(duì)于GaN功率器件而言，增強(qiáng)型器件實(shí)現(xiàn)也是研究者們極其關(guān)注的問題。目前國(guó)際上多采用凹槽柵、p-GaN柵和氟離子注入等方法直接實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，另外，使用Cascode級(jí)連技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)常關(guān)型。
n抑制電流崩塌效應(yīng)
抑制電流崩塌的方法主要有以下幾種：(1)表面鈍化，表面鈍化的問題是鈍化工藝比較復(fù)雜，重復(fù)性較低，并不能完全消除電流崩塌效應(yīng)，對(duì)器件的柵極漏電流和截止頻率有影響，增加了器件的散熱問題。(2)場(chǎng)板，2011年，美國(guó)HRL用三場(chǎng)板結(jié)構(gòu)結(jié)合SiN鈍化，實(shí)現(xiàn)了高耐壓低動(dòng)態(tài)電阻的Si基GaN功率器件，開關(guān)速度5us測(cè)試狀態(tài)下，器件350V時(shí)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)Ron之比1.2，600V時(shí)兩者之比1.6[5]。(3)生長(zhǎng)冒層，如使用p型GaN冒層來(lái)離化的受主雜質(zhì)形成負(fù)空間電荷層，屏蔽表面勢(shì)的波動(dòng)對(duì)溝道電子的影響。該方法材料生長(zhǎng)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，易控制，但是增加了工藝難度，如柵極制作過(guò)程比較復(fù)雜。(4)勢(shì)壘層摻雜，該方法增加了溝道電子濃度，或者減少了勢(shì)壘層表面態(tài)密度，一般此種器件都生長(zhǎng)了一薄層未摻雜的GaN或AlGaN冒層。
n制造工藝
GaN功率器件制造工藝與現(xiàn)有Si制造工藝兼容，是促進(jìn)GaN功率器件產(chǎn)業(yè)化和廣泛應(yīng)用一個(gè)重要因素。開發(fā)與現(xiàn)有Si制造工藝兼容的GaN功率器件制造工藝的關(guān)鍵在于開發(fā)無(wú)金工藝。2012年，在ISPSD年會(huì)上IMEC報(bào)道了在8英寸GaN-on-Si晶圓上通過(guò)CMOS兼容無(wú)金工藝結(jié)合凹柵工藝制造的增強(qiáng)型GaN功率晶體管[6]。2012年，在ISPSD年會(huì)上IMB-CNM-CSIC報(bào)道了在4英寸Si上使用CMOS兼容無(wú)金工藝制作了MIS-HEMT和i-HEMT[7]。開發(fā)無(wú)金工藝最近幾年受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注，是降低成本以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)和大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的重要途徑。
3、功率集成技術(shù)
形成獨(dú)立且完整的包括GaN功率核心器件、器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路和周邊無(wú)源器件在內(nèi)的直接面對(duì)終端應(yīng)用的功能性模塊，是目前GaN功率器件的發(fā)展方向。高度集成化的GaN智能功率集成技術(shù)將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)Si功率芯片技術(shù)所達(dá)不到的高性能、高工作安全性、高速和高溫承受能力。在發(fā)展GaN功率器件技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)功率集成技術(shù)正逐漸成為近年來(lái)GaN研究領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)。2008年，美國(guó)IR公司發(fā)布了基于Si襯底的GaN POL轉(zhuǎn)換器，輸入電壓12V，12A的負(fù)載電流時(shí)輸出電壓1.2V，工作頻率6MHz。2009年，美國(guó)MIT報(bào)道了利用晶片鍵合和選擇性刻蝕制備出Si-GaN-Si晶片[8]。2009年，陳萬(wàn)軍等人報(bào)道了GaN-on-Si開關(guān)模式Boost轉(zhuǎn)換器，K Y Wong等人成功實(shí)現(xiàn)了高壓功率器件和外圍低壓器件的單片集成[9]。2010年，Transphorm發(fā)布了分別基于AlGaN/GaN-on-Si和Si Sj-MOSFET的800KHz 220-400V Boost轉(zhuǎn)換器。
4、可靠性
隨著各項(xiàng)器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，GaN器件已逐漸從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)界轉(zhuǎn)移，可靠性已成為各界普遍關(guān)心的問題。相對(duì)于硅功率器件技術(shù)，GaN功率器件的可靠性和穩(wěn)定性研究還相對(duì)滯后，器件退化規(guī)律、失效機(jī)制與模式、增強(qiáng)可靠性方法等雖有一些研究報(bào)告，但遠(yuǎn)不能滿足器件走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用階段的需要。
影響GaN功率器件可靠性的原因比較復(fù)雜，包括材料質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)和器件工藝等多個(gè)方面，根據(jù)功率器件的工作模式特點(diǎn)和工作環(huán)境，GaN功率器件的可靠性研究重點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：(1)柵泄漏電流與表面狀態(tài);(2)柵金屬退化;(3)高電場(chǎng)和高溫下熱電子/熱聲子效應(yīng);(4)材料質(zhì)量。
產(chǎn)品相繼推出：
隨著GaN功率器件的成本降低、電氣特性提高和周邊技術(shù)的擴(kuò)充，利用GaN功率器件的環(huán)境目前正在迅速形成，從2011年下半年至今已有很多企業(yè)相繼推出了產(chǎn)品，并開始供貨GaN功率器件，利用該器件的周邊技術(shù)也越來(lái)越完善。
美國(guó)EPC：2012年之前推出了耐壓(40-200)V的系列產(chǎn)品;2013年5月EPC發(fā)布了開發(fā)板EPC9004，該板使用了200V的eGaN器件EPC2012，已開始供貨;2013年6月EPC發(fā)布了降壓變換器演示板EPC9107，該演示板使用了eGaN器件EPC2015和TI的柵驅(qū)動(dòng)LM5113，已開始樣品供貨。美國(guó)Transphorm：在2012年發(fā)布了耐壓600V的GaN類功率二級(jí)管、功率晶體管和功率模塊;2013年5月，產(chǎn)品TPH3006PS、TPH3006PD、TPS3410PK和TPS3411PK已開始銷售，把通過(guò)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的600V的GaN晶體管TPH3006PS用于電源設(shè)計(jì)，電源效率達(dá)97.5%。日本Fujitsu：2012年11月發(fā)布成功實(shí)現(xiàn)2.5KW的基于GaN功率器件的服務(wù)器電源單元;2013年7月展出了耐壓30V、150V和600V三款Si基GaN功率器件，已開始樣品供貨，同時(shí)展出了采用600V耐壓產(chǎn)品的服務(wù)器電源試制品。
雖然GaN功率器件的實(shí)際性能與理論上的性能還存在差距，但就目前器件及其功能電路的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，相比傳統(tǒng)Si技術(shù)已具備十分明顯的性能優(yōu)勢(shì)，隨著GaN功率器件的材料質(zhì)量、器件技術(shù)、功率集成技術(shù)和可靠性的逐漸成熟，GaN功率器件很有可能取代Si功率器件，成為功率電子應(yīng)用中的首選技術(shù)方案。
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