

三垦电气正计划全面进军氮化镓(GaN)功率器件市场,该市场预计将快速增长,主要集中在消费电子、汽车和人工智能服务器领域。预计到2023年,市场规模将达到400亿日元,到2029年将达到3000亿日元。尽管竞争日益激烈,但该公司正致力于凭借其专有的横向GaN技术脱颖而出,该技术可实现高耐压性和低成本,并计划在2030财年实现垂直GaN的量产。
三垦电子在氮化镓(GaN)器件研发领域拥有超过20年的悠久历史。该公司最初从蓝色LED起步,并在2000年左右开始研发硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件。2015年左右,该公司发布了首款搭载GaN HEMT的电源IC。之后,该公司还开发并量产了一款将GaN HEMT与IC相结合的LED照明驱动器。“这款器件在LED灯泡刚问世时就得到了应用,并广受好评,”Hankan表示,但市场需求逐渐下降,并于2023年左右停止生产。至此,硅基氮化镓HEMT器件的研发似乎已经告一段落。
然而,氮化镓功率器件市场是一个蓬勃发展的市场,预计将从2023年的400亿日元增长到2029年的3000亿日元,复合年增长率(CAGR)高达40%。三垦电气于2024财年启动的2024年中期经营计划(2024财年至2027财年)宣布,公司将专注于化合物器件这一新兴技术领域的基础研发,并积极投资于未来的增长。该计划明确了其战略方针,即通过与外部合作伙伴的协作,加快氮化镓器件的研发和量产速度。为此,公司于2025年4月以约13亿日元的价格收购了Powdec公司。此次收购于2025年10月1日完成。

氮化镓器件市场增长预测(市场预测基于Yole Group和Sanken Electric的研究)来源:Sanken Electric
该公司计划通过创造结合从 Powdec 收购的技术与自身多年来积累的技术和专业知识的新设备,来与竞争对手区分开来,并进军竞争日益激烈的氮化镓市场。

Hankan表示:“在硅领域,主流技术已经从高压平面MOSFET转向超结MOSFET。起初,人们认为超结MOSFET成本过高,但价格迅速下降,现在已被广泛应用。我认为氮化镓也处于类似的阶段。如果我们现在不采取行动,我认为我们将面临一个局面,即使是后来者也无法赶上。”
通过收购 Powdec 公司获得的 PSJ 技术
三垦电气正在开发的横向GaN器件基于Powdec公司的PSJ(极化超结)技术。传统的GaN HEMT存在电压限制和电流崩塌(开关过程中电流难以流动的现象)等问题,这些问题是由电场集中引起的。PSJ结构利用GaN/AlGaN/GaN异质结的极化特性,保持栅极和漏极之间的电场强度恒定,从而抑制电场集中。这不仅易于实现高电压电阻,而且还具有通过减少电流崩塌来抑制导通电阻增加的优势,并允许缩小栅漏间隙,从而降低导通电阻。
在收购之前,三垦电气自2023年起就已与Powdec开展联合研发,并确认了高压横向氮化镓(横向PSJ-GaN)技术的可行性。关于此次收购的原因,该公司解释说:“我们认为收购Powdec是加速研发的最佳途径,目标是尽快实现产品的商业化和上市。”
该公司正在开发涵盖低电流到中电流范围的横向PSJ-GaN产品。具体而言,该公司计划于2026财年开始量产用于白色家电和消费电子产品的低电流GaN电源IC,并于2028财年开始量产用于白色家电和工业设备的中电流IPM。
除了目前主流的 650V 氮化镓功率器件电压外,该公司还计划开发更高电压的产品,例如 900V、1200V 和 1700V。Hannuki 表示:“蓝宝石和 PSJ 结构在高压领域能够发挥其优势。硅器件的极限电压可能在 900V 左右。我们预计,未来工业和汽车应用领域对 1200V 和 1700V 器件的需求将会很高,而这些器件只有蓝宝石才能实现。我们看到了这个领域的巨大市场潜力,并有机会参与竞争。”

氮化镓器件开发——量产概念。来源:三垦电气
另一方面,在这一领域,氮化镓将与碳化硅(SiC)器件展开竞争。关于这一点,他表示:“我们目前正在内部讨论,但未来我们会努力实现差异化。”他强调:“如果我们能够充分利用氮化镓的特性,我们相信可以实现与碳化硅相当甚至更优的性价比。”
蓝宝石衬底有哪些优势?
氮化镓器件成本的主要影响因素之一是晶圆价格,而三垦电气采用了比市面上主流硅衬底更昂贵的蓝宝石衬底。这是因为蓝宝石作为一种绝缘材料,可以利用PSJ结构实现高击穿电压;而对于硅基氮化镓器件,尽管硅衬底本身价格低廉,但由于硅和氮化镓物理性质的差异,用于缓解应力的缓冲层成本很高。

PSJ技术特点。来源:三垦电机
Hannuki解释说:“当使用典型的GaN/Si高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)在硅衬底上制造相同击穿电压的器件时,缓冲层必须非常厚。这是我们的第二次尝试,我们也意识到了硅衬底的这个问题。蓝宝石的物理性质与GaN非常相似,因此几乎不需要缓冲层。”例如,对于650V的击穿电压,硅衬底需要约7μm厚的外延层,而蓝宝石衬底仅需约1μm厚。
Hannuki解释说:“即使耐压值提高,这一点也不会改变。蓝宝石衬底是绝缘材料,其优势在于只需约1微米的厚度即可达到任何耐压值。” 通过使用蓝宝石制造薄缓冲层,他们追求的是性价比。“我们相信我们能够在价格上与竞争对手抗衡。”
关于蓝宝石衬底本身的价格,他表示:“蓝宝石的生产方法本身并不难,而且我听说价格可以根据产量降低。考虑到这一点,我相信一旦我们开始销售,衬底价格也会随着产量的增加而下降。”
集成专有驱动IC
Hannuki强调“单靠GaN器件本身无法很好地驱动这些器件,驱动IC的技术与功率器件本身同等重要,甚至更为重要。”该公司计划开发能够充分发挥横向PSJ-GaN特性的驱动IC,并将其与电源IC和IPM相结合,为客户提供易于使用的解决方案。
下图展示了一款正在研发中的PSJ-GaN内置电源IC。由于PSJ-GaN为常导通型,因此它与常关型低压MOSFET结合使用,并封装在一个专门开发的驱动器中。“无需复杂的调整,即可像传统IC一样配置为开关电源,从而实现最高效率。”该公司表示。


PSJ-GaN 内置电源 IC。来源:三垦电气
将目前正在开发的采用 PSJ-GaN 技术的非隔离式降压转换器 IC 与现有的 Si MOSFET 产品进行比较,其额定电压从 750V 提升至 1400V,导通电阻降低至原来的四分之一,即 0.45Ω,功率效率提升 1.5 个百分点至 84.4%,同时尺寸缩小至原来的八分之一(SOIC8 封装对比 DIP8 封装)。该公司目前还在开发采用 PSJ-GaN 技术、额定电压分别为 900V、1200V 和 1700V 的反激式电源 IC,产品功率等级为 50W。
该公司还表示,正在努力开发常关型 PSJ-GaN,尽管仍有一些技术难题需要克服。
垂直氮化镓 (GaN) 技术面向汽车和工业机械的高电流应用领域
三垦电气正在推进低至中电流范围内的横向PSJ-GaN的研发,同时也在开发用于汽车和工业机械大电流模块的垂直GaN,计划于2030年开始量产。目前的研发阶段是“建立基本结构”,TCAD仿真正在进行中。
Hannuki表示:“这是一个充满挑战的目标,但既然我们从事氮化镓(GaN)技术,我认为最终目标应该是垂直氮化镓。日本在氮化镓衬底研究方面处于领先地位,我们也在多个联盟中就垂直氮化镓晶体的特性、直径增大的时机以及成本等问题进行讨论。虽然直径和成本尚未最终确定,但结构已经大致确定。现在唯一需要观察的是能否成功研制、良率如何以及最终产品的特性,这不仅需要我们公司内部的合作,还需要与产业界、政府和学术界的合作,但我们将努力实现我们的计划。”
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