SiC以外，罗姆发力GaN

在现在的功率器件市场，SiC无疑是当中最当红的一个。受惠于其宽带隙、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等物理特性，SiC正在伴随着新能源汽车产业迅速发展。
 
据市场分析机构 Yole 预测，在未来 5 年内，SiC 功率器件将很快占据整个功率器件市场的 30%，SiC 行业（从衬底到模块，包括器件）的增长率非常高。在Yole看来，到 2027 年，该行业的产值有望超过 60 亿美元。
 
作为一家深耕SiC多年的企业，罗姆当然是其中一股不能忽视的势力。
 
SiC的再接再厉
 
罗姆方面也表示，与传统的硅器件相比，碳化硅器件由于拥有低导通电阻特性以及出色的高温、高频和高压性能，已经成为下一代低损耗半导体可行的候选元器件。罗姆在碳化硅功率元器件和模块的开发领域处于先进地位，其先进的SiC MOSFET技术实现了业界领先的低导通电阻，充分地减少了开关损耗，并支持15V和18V的栅极-源极电压，有助于在包括汽车逆变器和各种开关电源在内的各种应用中实现显著的小型化和低功耗。
 
回看罗姆在SiC上的发展，从2000年开始，这家日本半导体巨头便开始了在这种新兴宽禁带材料和器件上的探索。到了2009年，罗姆还收购了SiC衬底供应商SiCrystal AG（现SiCrystal GmbH），补上了SiC供应链的重要一环，这也让公司摇身一变，成为了SiC IDM，这种布局优势在当前SiC需求暴涨的时代，尤为明显。
 
在随后几年的发展中，罗姆在SiC上也屡创佳绩。例如在2021年，公司就率先成为全球首家实现碳化硅SBD和MOSFET量产的企业。到了2021年，公司更是带来了第四代SiC MOS器件。
 
众所周知，对于SiC MOS，目前拥有平面型和沟槽型两种产品。其中，前者的优势在于易于制造且非常可靠，但在减小芯片尺寸以提高产量的过程中，其横向拓扑结构限制了最终缩小范围。沟槽式的设计能降低导通电阻，让芯片制造商能缩小芯片尺寸，从而实现更好的产品，还能降低碳化硅用量，从而提高产量。这也是现在几乎所有SiC的主流厂商都把目光投向了沟槽型SiC的原因。
 
拥有先见之明的罗姆在发布了第一代的平面型SiC MOS之后，便从其第二代SiC MOS开始便转向了沟槽式器件。换而言之，其第四代的SiC MOS，已经是公司推出的第三代沟槽型器件。
 
从罗姆的介绍我们得知，公司拥有专利的双沟槽结构，能够通过在源极部分也设置沟槽结构，缓和栅极沟槽底部的电场集中问题，确保了其长期可靠性，从而成功投入量产。而公司的第四代SiC MOS在不牺牲短路耐受时间的情况下，能将其导通电阻（RonA）相较于原来的第三代降低40%，传导损耗相应降低。在向低导通阻抗进化的同时，罗姆SiC还朝着耐压的方面进化。
 
得益于这些技术积累，罗姆将公司的SiC器件应用到电动汽车上面的OBC、DCDC、主驱动器以及燃料电池相关的一些电气设备方面的应用上。此外。工业机器大型电机、感应加热器、高频加热器、电池检验设备等工业应用也是罗姆SiC发力的又一个方向。
 
在八月举办的PCIM Asia展会上，罗姆更是基于公司的第三代以及第四代SiC MOSFET，展示了公司以及和合作伙伴悉智科技、臻驱科技、基本半导体以及与正海集团成立的子公司海姆希科等打造的SiC方案。
 
而在往前推进SiC器件性能和应用范围的同时，罗姆同步还在提高公司的SiC产能。据相关资料显示，相比2021年，罗姆预计2025财年能将SiC产能提升6倍，到2030财年，更将同比2021财年提升25倍。
 
换而言之，罗姆SiC的产能十年将提高25倍。
 
GaN的厚积薄发
 
除了SiC以外，宽禁带材料的另一个代表——GaN的潜力也不容忽视。根据Yole Group 预估，氮化镓（GaN）功率元件的市场规模，将在2027 年达到20 亿美元。而在2021-2027 年间，整体GaN 功率元件市场的复合年成长率（CAGR）为59%。
 
因此对于GaN，罗姆也不会置身事外。
 
罗姆认为，与硅相比，氮化镓的禁带宽度、击穿场强、电子饱和速度都高出三倍左右，它的宽度更宽、场强更大，饱和速度更快，具有更优异的物理性能，特别是在高频率工作、高速开关的状态下，比硅甚至碳化硅都有更好的表现。而高电子迁移率晶体管（HEMT）是有晶体管的结构，在设计上是在顶上（水平方向构成，可理解为栅极电压）控制导通宽度（Si MOSFET一般是垂直结构）来控制器件开关。这种构造加上这些（氮化镓本身）特性，使GaN HEMT的开关速度非常高。相比Si MOSFET，整体开关损耗降低约65%。
 
为此，罗姆推出了名为“EcoGaN™”的节能和小型化的氮化镓器件，并不断致力于进一步提高器件的性能。从应用方向上看，罗姆的氮化镓系列产品主要分为两种耐压等级，分别是100V到600V和600V以上的产品。具体到产品层面，罗姆不仅致力于元器件的开发，还与业内相关企业积极建立战略合作伙伴关系并推动联合开发，通过助力应用产品的效率提升和小型化，持续为解决社会问题贡献力量。
 
2022年，罗姆就把栅极耐压高达8V的150V耐压GaN HEMT投入量产，能够给服务器、基站、电源和激光雷达等测距传感器等工业和消费级应用提供支持。值得一提的是，普通氮化镓产品是6V耐压，这就意味着罗姆的氮化镓器件在过充时，能够给到产品更大的余量。
 
到了2023年3月，公司又确立了能够更大程度地发挥出GaN性能的控制IC技术。近期，为助力各种电源系统的效率提升和小型化，罗姆更是推出了器件性能达到业界超高水平的650V耐压GaN HEMT。
 
据罗姆所说，氮化镓的使用通常会面临两个问题：第一是驱动电压（Vth）比较低（通常是1.5到1.8V左右），这就导致在有噪音的时候可能会误开启，从而导致损耗较高；第二是栅极耐压比较低，通常氮化镓器件的标定是5V驱动电压（4.5V以下可以导通但不彻底，到了6V以上则面临栅极损坏的风险）。这就意味着最佳驱动电压范围窄，栅极处理起来很难。
 
此外，氮化镓器件通常工作在很高的频率，噪音和脉冲情况都比较复杂，所以很容易就坏，于是通常必须与专门的驱动电路或者驱动器配合使用。但是，这样的设计就导致外置元器件的数量越来越多，通路的寄生参数的影响在工作的200K以上或者是1兆更高，让寄生参数影响就越来越明显。
 
为此，罗姆带来了Power Stage IC，将栅极驱动器和GaN HEMT一体化封装，可轻松替代Si MOSFET。将这两者结合，也能将FET性能最大化，一起实现高速开关，充分地发挥氮化镓器件的性能。“ 使用这款Power Stage IC时，相比Si MOSFET，开关损耗大幅度降低，另外，相比Si MOSFET+散热片，器件体积显著减小。”罗姆方面强调。
 
同样在今年的PCIM Asia展览上，罗姆带来了150V GaN HEMT系列和650V GaN HEMT产品系列的产品展示。当然，上文提到的EcoGaN™650V Power Stage IC也是罗姆站台上的又一亮点。
 
基于这些领先的技术，罗姆也打造了很多领先的方案，为开发者未来的开发提供参考。
 
在罗姆看来，2020年基本上算是氮化镓起始的时间节点，当时面向的主要应用就是PC、手机的快充。之后，随着5G和PD适配器的普及，市场需求增加，仅凭硅器件无法满足需求。于是老牌的半导体公司都开始发力，终端的（厂商）也在电动汽车或者混动汽车方向考虑使用DC-DC。今后，随着电动汽车以及工业系统应用的增加，预计2025年之后会有一个比较大的增长。
 
于是，罗姆表示，未来将不断改进驱动技术和控制技术，与EcoGaN™系列GaN器件相结合，便于客户选择。至于Power Stage IC的下一代机型，准偕振AC-DC+GaN的器件预计在2024年一季度量产，功率因数改善+GaN的器件也是2024年第一季度量产，半桥+GaN的器件预计在2024年第二季度量产。
 
这都值得我们期待。