引言
氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）同屬第三代半導體，相比硅基半導體（Si），具有禁帶寬度更寬、高耐壓、熱導率、電子飽和速度更高的特點，能夠滿足現代電子技術對半導體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻要求。而相對于SiC在高耐壓和大工作電流方面具有的優勢，GaN更有望在100~600V中等耐壓范圍內，憑借出色的擊穿場強和電子飽和速度，實現低導通電阻和高速開關（高頻率工作）性能。如圖1所示。
圖1：功率器件的適用范圍
針對要求小型化、低功耗的5G和PD快充適配器等產品，僅憑目前主流半導體材料Si已無法滿足需求，這使得包括GaN HEMT在內的新型功率半導體必不可少。與Si相比，GaN具有低導通電阻、高速開關等優異特性。在同樣需要節能和小型化的應用中，它也可以滿足一次電源（服務器、適配器、普通電源）市場的需求。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，GaN的市場規模也在不斷擴大。據Yole Group預測，從2022年到2028年，GaN功率器件市場將以49%的復合年增長率快速增長，市值將從2022年的1.849億美元增長至20.4億美元。如圖2所示。
圖2：一次電源市場需求
羅姆認為，除了消費領域，工業和數據中心應用已成為GaN增長的催化劑。在這些應用中，巨大的功耗已成為一個亟待解決的問題。在電源中使用高電源轉換效率的GaN可以顯著減少能源消耗，同時滿足縮小應用尺寸和厚度的行業發展要求，為節能環保做出貢獻。基于多年積累的豐富半導體生產工藝技術，羅姆開發了顛覆傳統的GaN品牌——EcoGaN?系列產品，旨在進一步實現應用產品的節能和小型化。
什么是EcoGaN?？
EcoGaN? 是羅姆開發的GaN器件關聯系列產品的品牌，旨在通過更大程度地發揮GaN的性能，實現GaN的穩定控制。該品牌不僅包括GaN HEMT單品，搭載GaN的、內置控制器的IC也包含其中。EcoGaN? 系列產品有助于進一步降低應用產品的功耗，實現外圍元器件的小型化，減少設計工時和元器件數量等，助力應用產品進一步節能和小型化。圖3為羅姆EcoGaN? 標識。
圖3：羅姆EcoGaN? 標識
GaN HEMT的穩定可靠對于GaN器件的全面推廣至關重要，而基于GaN-on-Si襯底的高質量制造技術是生長GaN外延層的關鍵。早在2006年，羅姆就開始研發氮化鎵產品。憑借其多年來為量產可靠的LED產品開發的基本外延和生長技術，羅姆將其應用于GaN HEMT，為需要長期可靠性的市場提供穩定的供應。
歷經20年左右的持續研發，2021年，羅姆確立了8V柵極-源極額定電壓技術的150V GaN器件技術；2022年，羅姆首次量產第一代EcoGaN? 系列150V耐壓的GaN HEMT。憑借其獨特的結構，羅姆成功地將柵極-源極額定電壓從普通GaN產品的6V提高到8V，提升了GaN器件電源電路的設計裕度和可靠性。2023年4月，羅姆又量產了650V耐壓GaN HEMT，至此同時提供了150V和650V GaN分立式器件。
此外，為了充分提高GaN HEMT的低損耗和高速開關性能，使器件應用更加穩定可靠， 羅姆不僅注重提高GaN HEMT單體的性能，還不斷改進驅動技術和控制技術，讓GaN器件在各種應用中進一步普及。
·“EcoGaN?”是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。
創新型電源解決方案解決GaN應用課題
1. 柵極驅動器與GaN相結合
羅姆在推出支持高速開關的GaN器件的同時，還開發出可更大程度地激發出GaN器件性能的超高速驅動柵極驅動器IC“BD2311NVX-LB”，實現了納秒（ns）量級的柵極驅動速度，從而使GaN器件可實現高速開關。通過最小柵極輸入脈寬為1.25納秒的高速開關，助力應用產品實現小型化、進一步節能和更高性能。此外，ROHM官網上提供配備BD2311NVX-LB、150V GaN和高輸出功率激光二極管的LiDAR用參考設計。通過參考設計，有助于減少應用產品的開發工時，如圖4。詳情請見：https://www.rohm.com.cn/reference-designs/refld002
圖4： LiDAR用參考設計
2. DC-DC控制器與GaN器件相結合
GaN器件因其具有高速開關的特性優勢而被廣泛采用，然而，如何提高控制IC（負責GaN器件的驅動控制）的速度已成為亟需解決的課題。
在這種背景下，羅姆進一步改進了在電源IC領域確立的超高速脈沖控制技術“Nano Pulse Control?”，成功地將控制脈沖寬度從以往的9ns縮短到2ns的業界超高水平，并通過與GaN HEMT組合實現了高速開關。采用該技術的DC-DC控制器IC（開發中）和EcoGaN? 電源電路比普通產品的安裝面積減少了86%，如圖5所示。適用于基站、數據中心、FA設備和無人機等眾多領域，將為實現應用的顯著節能和小型化做出貢獻。
圖5：GaN器件與Si器件電源電路尺寸比較
3. 集柵極驅動器和GaN于一體的Power Stage IC
與Si MOSFET相比，GaN HEMT的柵極處理很難，必須與驅動柵極用的驅動器結合使用（圖6）。
圖6： 使用GaN器件時面臨的問題
羅姆結合所擅長的功率和模擬兩種核心技術優勢，開發出集功率半導體——GaN HEMT和模擬半導體——柵極驅動器于一體的Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”。該產品的問世使得被稱為“下一代功率半導體”的GaN器件輕輕松松即可實現安裝。如圖7所示。
圖7： EcoGaN? Power Stage IC簡介
新產品中集成了新一代功率器件650V GaN HEMT、能夠更大程度地激發出GaN HEMT性能的專用柵極驅動器、新增功能以及外圍元器件。另外，新產品支持更寬的驅動電壓范圍（2.5V～30V），擁有支持一次側電源各種控制器IC的性能，因此可以替換現有的Si MOSFET。與Si MOSFET相比，器件體積可減少約99%，功率損耗可降低約55%，因此可同時實現更低損耗和更小體積。
EcoGaN?產品路線圖
今后，隨著GaN器件的性能的進一步提高和陣容擴充，羅姆將持續推進用于驅動GaN HEMT的、內置控制器的器件和模塊的開發，進一步加強電源解決方案。其中包括，具有低導通電阻和高速開關性能的產品——150V耐壓產品（第二/三代）；內置驅動器和控制器的GaN模塊；650V耐壓的新封裝（TOLL封裝）產品等，如圖8所示。
關于前述Power Stage IC產品，羅姆計劃2024年量產搭載偽諧振AC-DC電路或功率因數改善電路、以及搭載半橋電路等產品。并且，截至2026年，計劃陸續量產將GaN HEMT、柵極驅動IC、控制IC集成在同一封裝的產品。羅姆將繼續為用戶提供各種形式的EcoGaN?解決方案，方便用戶更加便捷地搭載GaN器件。
圖8：EcoGaN?相關產品的產品路線圖
總結
羅姆將繼續擴充“EcoGaN?”系列產品陣容，助力應用產品的節能和小型化發展。并且，為用戶提供更加便捷地發揮GaN性能、更大程度地激發其強大潛能的電源解決方案，為實現可持續發展社會貢獻力量。
