三墾電氣的氮化鎵戰(zhàn)略：目標(biāo)2030年實(shí)現(xiàn)垂直整合量產(chǎn)藍(lán)寶石

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【三墾電氣的氮化鎵戰(zhàn)略：目標(biāo)2030年實(shí)現(xiàn)垂直整合量產(chǎn)】
三墾電氣正計(jì)劃全面進(jìn)軍氮化鎵（GaN）功率器件市場(chǎng) ，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將快速增長(zhǎng) ，主要集中在消費(fèi)電子、汽車和人工智能服務(wù)器領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2023年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到400億日元，到2029年將達(dá)到3000億日元。盡管競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，但該公司正致力于憑借其專有的橫向GaN技術(shù)脫穎而出，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高耐壓性和低成本，并計(jì)劃在2030財(cái)年實(shí)現(xiàn)垂直GaN的量產(chǎn) 。
三墾電子在氮化鎵（GaN）器件研發(fā)領(lǐng)域擁有超過20年的悠久歷史。該公司最初從藍(lán)色LED起步，并在2000年左右開始研發(fā)硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件。 2015年左右，該公司發(fā)布了首款搭載GaN HEMT的電源IC 。之后，該公司還開發(fā)并量產(chǎn)了一款將GaN HEMT與IC相結(jié)合的LED照明驅(qū)動(dòng)器。 “這款器件在LED燈泡剛問世時(shí)就得到了應(yīng)用，并廣受好評(píng) ， ”Hankan表示，但市場(chǎng)需求逐漸下降，并于2023年左右停止生產(chǎn) 。至此，硅基氮化鎵HEMT器件的研發(fā)似乎已經(jīng)告一段落。
然而，氮化鎵功率器件市場(chǎng)是一個(gè)蓬勃發(fā)展的市場(chǎng) ，預(yù)計(jì)將從2023年的400億日元增長(zhǎng)到2029年的3000億日元，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)40% 。三墾電氣于2024財(cái)年啟動(dòng)的2024年中期經(jīng)營(yíng)計(jì)劃（2024財(cái)年至2027財(cái)年）宣布，公司將專注于化合物器件這一新興技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研發(fā) ，并積極投資于未來的增長(zhǎng) 。該計(jì)劃明確了其戰(zhàn)略方針，即通過與外部合作伙伴的協(xié)作，加快氮化鎵器件的研發(fā)和量產(chǎn)速度。為此，公司于2025年4月以約13億日元的價(jià)格收購了Powdec公司。此次收購于2025年10月1日完成。
氮化鎵器件市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)（市場(chǎng)預(yù)測(cè)基于Yole Group和Sanken Electric的研究）來源：Sanken Electric
該公司計(jì)劃通過創(chuàng)造結(jié)合從 Powdec 收購的技術(shù)與自身多年來積累的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)的新設(shè)備，來與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開來，并進(jìn)軍競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的氮化鎵市場(chǎng) 。

Hankan表示：“在硅領(lǐng)域，主流技術(shù)已經(jīng)從高壓平面MOSFET轉(zhuǎn)向超結(jié)MOSFET 。起初，人們認(rèn)為超結(jié)MOSFET成本過高，但價(jià)格迅速下降，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用。我認(rèn)為氮化鎵也處于類似的階段。如果我們現(xiàn)在不采取行動(dòng) ，我認(rèn)為我們將面臨一個(gè)局面，即使是后來者也無法趕上。 ”
通過收購 Powdec 公司獲得的 PSJ 技術(shù)三墾電氣正在開發(fā)的橫向GaN器件基于Powdec公司的PSJ（極化超結(jié)）技術(shù) 。傳統(tǒng)的GaN HEMT存在電壓限制和電流崩塌（開關(guān)過程中電流難以流動(dòng)的現(xiàn)象）等問題，這些問題是由電場(chǎng)集中引起的。 PSJ結(jié)構(gòu)利用GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的極化特性，保持柵極和漏極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度恒定，從而抑制電場(chǎng)集中。這不僅易于實(shí)現(xiàn)高電壓電阻，而且還具有通過減少電流崩塌來抑制導(dǎo)通電阻增加的優(yōu)勢(shì) ，并允許縮小柵漏間隙，從而降低導(dǎo)通電阻。
在收購之前，三墾電氣自2023年起就已與Powdec開展聯(lián)合研發(fā) ，并確認(rèn)了高壓橫向氮化鎵（橫向PSJ-GaN）技術(shù)的可行性。關(guān)于此次收購的原因，該公司解釋說：“我們認(rèn)為收購Powdec是加速研發(fā)的最佳途徑，目標(biāo)是盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商業(yè)化和上市。 ”
該公司正在開發(fā)涵蓋低電流到中電流范圍的橫向PSJ-GaN產(chǎn)品。具體而言，該公司計(jì)劃于2026財(cái)年開始量產(chǎn)用于白色家電和消費(fèi)電子產(chǎn)品的低電流GaN電源IC ，并于2028財(cái)年開始量產(chǎn)用于白色家電和工業(yè)設(shè)備的中電流IPM 。
除了目前主流的 650V 氮化鎵功率器件電壓外，該公司還計(jì)劃開發(fā)更高電壓的產(chǎn)品，例如 900V、1200V 和 1700V 。 Hannuki 表示：“藍(lán)寶石和 PSJ 結(jié)構(gòu)在高壓領(lǐng)域能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì) 。硅器件的極限電壓可能在 900V 左右。我們預(yù)計(jì) ，未來工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?1200V 和 1700V 器件的需求將會(huì)很高，而這些器件只有藍(lán)寶石才能實(shí)現(xiàn) 。我們看到了這個(gè)領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)潛力，并有機(jī)會(huì)參與競(jìng)爭(zhēng) 。 ”
氮化鎵器件開發(fā)——量產(chǎn)概念。來源：三墾電氣

另一方面，在這一領(lǐng)域，氮化鎵將與碳化硅（SiC）器件展開競(jìng)爭(zhēng) 。關(guān)于這一點(diǎn) ，他表示：“我們目前正在內(nèi)部討論，但未來我們會(huì)努力實(shí)現(xiàn)差異化。 ”他強(qiáng)調(diào)：“如果我們能夠充分利用氮化鎵的特性，我們相信可以實(shí)現(xiàn)與碳化硅相當(dāng)甚至更優(yōu)的性價(jià)比。 ”
藍(lán)寶石襯底有哪些優(yōu)勢(shì)？氮化鎵器件成本的主要影響因素之一是晶圓價(jià)格，而三墾電氣采用了比市面上主流硅襯底更昂貴的藍(lán)寶石襯底。這是因?yàn)樗{(lán)寶石作為一種絕緣材料，可以利用PSJ結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓；而對(duì)于硅基氮化鎵器件，盡管硅襯底本身價(jià)格低廉，但由于硅和氮化鎵物理性質(zhì)的差異，用于緩解應(yīng)力的緩沖層成本很高。
PSJ技術(shù)特點(diǎn) 。來源：三墾電機(jī)

Hannuki解釋說：“當(dāng)使用典型的GaN/Si高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）在硅襯底上制造相同擊穿電壓的器件時(shí) ，緩沖層必須非常厚。這是我們的第二次嘗試，我們也意識(shí)到了硅襯底的這個(gè)問題。藍(lán)寶石的物理性質(zhì)與GaN非常相似，因此幾乎不需要緩沖層。 ”例如，對(duì)于650V的擊穿電壓，硅襯底需要約7μm厚的外延層，而藍(lán)寶石襯底僅需約1μm厚。
Hannuki解釋說：“即使耐壓值提高，這一點(diǎn)也不會(huì)改變。藍(lán)寶石襯底是絕緣材料，其優(yōu)勢(shì)在于只需約1微米的厚度即可達(dá)到任何耐壓值。 ” 通過使用藍(lán)寶石制造薄緩沖層，他們追求的是性價(jià)比。 “我們相信我們能夠在價(jià)格上與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手抗衡。 ”
關(guān)于藍(lán)寶石襯底本身的價(jià)格，他表示：“藍(lán)寶石的生產(chǎn)方法本身并不難，而且我聽說價(jià)格可以根據(jù)產(chǎn)量降低。考慮到這一點(diǎn) ，我相信一旦我們開始銷售，襯底價(jià)格也會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而下降。 ”
集成專有驅(qū)動(dòng)ICHannuki強(qiáng)調(diào)“單靠GaN器件本身無法很好地驅(qū)動(dòng)這些器件，驅(qū)動(dòng)IC的技術(shù)與功率器件本身同等重要，甚至更為重要。 ”該公司計(jì)劃開發(fā)能夠充分發(fā)揮橫向PSJ-GaN特性的驅(qū)動(dòng)IC ，并將其與電源IC和IPM相結(jié)合，為客戶提供易于使用的解決方案。
下圖展示了一款正在研發(fā)中的PSJ-GaN內(nèi)置電源IC 。由于PSJ-GaN為常導(dǎo)通型，因此它與常關(guān)型低壓MOSFET結(jié)合使用，并封裝在一個(gè)專門開發(fā)的驅(qū)動(dòng)器中。 “無需復(fù)雜的調(diào)整，即可像傳統(tǒng)IC一樣配置為開關(guān)電源，從而實(shí)現(xiàn)最高效率。 ”該公司表示。

PSJ-GaN 內(nèi)置電源 IC 。來源：三墾電氣

將目前正在開發(fā)的采用 PSJ-GaN 技術(shù)的非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器 IC 與現(xiàn)有的 Si MOSFET 產(chǎn)品進(jìn)行比較，其額定電壓從 750V 提升至 1400V ，導(dǎo)通電阻降低至原來的四分之一，即 0.45Ω ，功率效率提升 1.5 個(gè)百分點(diǎn)至 84.4% ，同時(shí)尺寸縮小至原來的八分之一（SOIC8 封裝對(duì)比 DIP8 封裝）。該公司目前還在開發(fā)采用 PSJ-GaN 技術(shù)、額定電壓分別為 900V、1200V 和 1700V 的反激式電源 IC ，產(chǎn)品功率等級(jí)為 50W 。
該公司還表示，正在努力開發(fā)常關(guān)型 PSJ-GaN ，盡管仍有一些技術(shù)難題需要克服。
垂直氮化鎵 (GaN) 技術(shù)面向汽車和工業(yè)機(jī)械的高電流應(yīng)用領(lǐng)域三墾電氣正在推進(jìn)低至中電流范圍內(nèi)的橫向PSJ-GaN的研發(fā) ，同時(shí)也在開發(fā)用于汽車和工業(yè)機(jī)械大電流模塊的垂直GaN ，計(jì)劃于2030年開始量產(chǎn) 。目前的研發(fā)階段是“建立基本結(jié)構(gòu)” ， TCAD仿真正在進(jìn)行中。
Hannuki表示：“這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的目標(biāo) ，但既然我們從事氮化鎵（GaN）技術(shù) ，我認(rèn)為最終目標(biāo)應(yīng)該是垂直氮化鎵。日本在氮化鎵襯底研究方面處于領(lǐng)先地位，我們也在多個(gè)聯(lián)盟中就垂直氮化鎵晶體的特性、直徑增大的時(shí)機(jī)以及成本等問題進(jìn)行討論。雖然直徑和成本尚未最終確定，但結(jié)構(gòu)已經(jīng)大致確定。現(xiàn)在唯一需要觀察的是能否成功研制、良率如何以及最終產(chǎn)品的特性，這不僅需要我們公司內(nèi)部的合作，還需要與產(chǎn)業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界的合作，但我們將努力實(shí)現(xiàn)我們的計(jì)劃。 ”
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三墾電氣的氮化鎵戰(zhàn)略：目標(biāo)2030年實(shí)現(xiàn)垂直整合量產(chǎn)

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