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背景
随着经济的增长，人们的日常活动中越来越依赖电子化的数据和设备。这为功率电子产业的增长注入了动力，人们正在致力于提高供电网络及电力设备中功率器件的效率。功率电子或者电源管理市场参与者目前所致力的工作，是提供能向最终消费实现高效率电能输送的各种电子器件，其典型应用包括有用于消费类电子设备（个人电脑，手机和电源等）中的功率转换器等，电网连接中将DC-AC转换器件，用于电动和混合动力汽车中电动机的驱动器件，以及其他许多类似应用中的功率器件都要求具有极高的电功率处理能力。任何的电源管理技术在进行电能转换时都会产生能量损耗，随着人们越来越重视能源的效率和可再生能源，对于能优化电能转换效率的电力设备产生了强烈的需求。鉴于未来电能的产生方式会更加多样化，企业对能源消耗量的进一步关注及消费类电子设备应用的迅速增长，这种功率半导体器件市场的规模预期将还会有迅速的增长。
在1950s年代，功率器件市场主要是以真空管为主，现在已经被硅基MOSFET和IGBT器件所取代。目前以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料，因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等，越来越吸引大家的注意。
应用领域
目前，SiC器件在高功率电子应用中要走得更远一些。预计在短期内SiC功率器件将成为硅功率器件的主要替代技术，而GaN功率器件则主要将在<600V击穿电压、<5kW功率要求的领域开拓其初期的商业化应用。GaN基器件看起来能满足高电压和高功率应用中的要求，加上其转换效率要高于硅器件，似乎拥有很高的商业价值。然而，SiC器件却在混合动力汽车的发展中已经部分证明了这种宽禁带材料在高功率电子应用中的优点，而GaN基功率器件则更有可能的是渗透进入到那些难以承受SiC器件高成本的较低工作电压的应用中。
但在电源管理领域，电源逆变器为GaN材料提供最大应用潜力，这些应用通常需要快速、高效的开关器件，其中GaN晶体管所固有的高电子迁移率将能带来很大的优势。人们广泛认为硅器件已经处于或接近于其材料的性能极限，而GaN器件特别是在其结构和效率上还具有进一步提升的潜能。
电源管理应用中的关键是要将导通电阻（Ron）和开关速度这两个性能参数进行综合考虑。当前已有很多旨在提高GaN FET性能的开发工作，显示GaN器件与硅MOSFET器件相比，在给定击穿电压下具有更低的导通电阻数值。此外，GaN器件的优势不仅仅只限于低导通电阻上，GaN FET在开关工作时其栅极充放电所需的电荷量比硅器件要少很多。导通电阻与栅极电荷的乘积（RQ）是衡量功率晶体管品质一个很有用的参数。RQ数值较小表明器件具有较低的导通电阻和较快的开关速度。因此GaN器件要比硅功率器件开关速度快很多。这种低RQ值性能还有另一个好处，即是采用GaN的DC-DC转换器能够运行在更高的带宽中。硅功率MOSFET对于宽度小于100ns的脉冲进行处理时将会产生困难，而GaN FET可以对窄至4ns的脉冲实现开启或关闭。这意味着在一个点负载转换器中，GaN器件单级就可以实现48V到1V的转换，而同等的硅功率器件一般则需要先用一级转换成12V，再用一级转换为1V。
在过去的几年里，业界一致努力来进行增强型GaN FET（常关）的开发，尤其是在电源管理上的应用。这些增强型器件的应用之所以吸引人，是因为他们具有与当前MOSFET技术相类似的工作模式，但是具有更好的特征性能。许多日本企业，包括由Sanken Electric，Fuji、Furukawa Electric、Panasonic和NEC等公司所组成的技术联盟，均投资进行了增强型的GaN HEMT的开发。这些增强型GaN器件与其耗尽型GaN器件和硅MOSFET相比，需要采用不同的驱动器。如美国的National Semiconductor 和Texas Instruments等公司已经开发了能兼容增强型GaN驱动器件的生产线。这些在驱动器件上的努力最终将能提供一整套技术方案，使得GaN FET及其驱动器件能像MOSFET器件一样易于使用，将能加速增强型GaN器件市场的推广进程。
技术难点
为了发挥GaN所具有的在材料及其性能上的全部固有优势，GaN器件的开发将需要继续应对一系列的挑战。例如，由于缺乏合适的天然GaN衬底将会使GaN器件的生产变得更为复杂，因为难以像GaAs和硅晶体管的制造工艺一样，来生长出晶格匹配、无缺陷的GaN外延层。当前已经有使用氢化物气相外延（HVPE）方法来产生较厚的GaN膜层，并将该厚膜层作为一种GaN衬底材料来使用。生长GaN衬底的魅力在于其材料性能预期将能得到改善，可以显著提高LED的能源使用效率。但即使GaN衬底的生产工艺达到成熟，预计其成本也不能与纯硅衬底构成竞争优势。由于GaN衬底尚未达到生产性的规模，单晶GaN晶圆的生产商必须采用其他材料的外购衬底，如蓝宝石、SiC或硅衬底。迄今为止，SiC一直是制造微电子功率器件的首选材料，因为它的晶格常数与GaN相对比较匹配，并具有良好的热导性能。然而，SiC仍然是一个难以进行生产加工和成本昂贵的材料，对价格极为敏感的大规模生产应用时将会遇到在成本上的挑战。近年以来，高电阻率的硅材料已经在某些特定领域中成为可行的SiC替代材料。尽管它与GaN材料的晶格常数并不很匹配以及它的热学性能也较差，但是硅材料还是可以成为某些低成本应用的一种选择。硅衬底上GaN（GaN-on-Si）在由研发向大批量制造工艺的转移上展现出了它的发展潜力，因为它能与当前采用大尺寸硅晶圆的CMOS商用半导体制造工艺相兼容。有很多制造商在这方面做了大量开发工作，如ZZURRO Semiconductors开发出了150mm硅衬底上GaN外延晶圆，并且提出了开发300mm硅衬底上GaN外延晶圆的发展路线图。
市场估计
日益增加的能源需求和能源替代的发展趋势将给功率电子器件市场带来极大的发展机会。宽禁带半导体技术的优势非常引人注目，但是要取代现存的硅技术并实现一定规模的量产，还必须解决很多具有挑战性的问题。GaN技术能在这个细分专业市场中获得发展，是因为业界和政府机构都已充分认识到这项技术的重要性，并投入了大量资源来支持这一技术的发展。考虑到上述所有这些因素，GaN技术在高功率电子领域的应用虽处于起步阶段，虽然GaN功率器件目前仅仅占有高功率电子市场的一小部分，但预计GaN功率器件的平均年复合增长率将会高于100%，即平均每年约翻一番。未来十年将会保持强劲的增长势头。
总结
能源消耗的增加、数字经济的发展趋势、能源效率的革命以及分布式发电的增加等都将引爆功率电子器件的市场。现在的主流技术是硅IGBT和MOSFET器件。但宽禁带半导体材料GaN因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等优异性能，极大地刺激了其工艺和产品的开发力度及在功率电子器件领域的应用。
随着经济的增长，人们的日常活动中越来越依赖电子化的数据和设备。这为功率电子产业的增长注入了动力，人们正在致力于提高供电网络及电力设备中功率器件的效率。功率电子或者电源管理市场参与者目前所致力的工作，是提供能向最终消费实现高效率电能输送的各种电子器件，其典型应用包括有用于消费类电子设备（个人电脑，手机和电源等）中的功率转换器等，电网连接中将DC-AC转换器件，用于电动和混合动力汽车中电动机的驱动器件，以及其他许多类似应用中的功率器件都要求具有极高的电功率处理能力。任何的电源管理技术在进行电能转换时都会产生能量损耗，随着人们越来越重视能源的效率和可再生能源，对于能优化电能转换效率的电力设备产生了强烈的需求。鉴于未来电能的产生方式会更加多样化，企业对能源消耗量的进一步关注及消费类电子设备应用的迅速增长，这种功率半导体器件市场的规模预期将还会有迅速的增长。
在1950s年代，功率器件市场主要是以真空管为主，现在已经被硅基MOSFET和IGBT器件所取代。目前以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料，因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等，越来越吸引大家的注意。
应用领域
目前，SiC器件在高功率电子应用中要走得更远一些。预计在短期内SiC功率器件将成为硅功率器件的主要替代技术，而GaN功率器件则主要将在<600V击穿电压、<5kW功率要求的领域开拓其初期的商业化应用。GaN基器件看起来能满足高电压和高功率应用中的要求，加上其转换效率要高于硅器件，似乎拥有很高的商业价值。然而，SiC器件却在混合动力汽车的发展中已经部分证明了这种宽禁带材料在高功率电子应用中的优点，而GaN基功率器件则更有可能的是渗透进入到那些难以承受SiC器件高成本的较低工作电压的应用中。
但在电源管理领域，电源逆变器为GaN材料提供最大应用潜力，这些应用通常需要快速、高效的开关器件，其中GaN晶体管所固有的高电子迁移率将能带来很大的优势。人们广泛认为硅器件已经处于或接近于其材料的性能极限，而GaN器件特别是在其结构和效率上还具有进一步提升的潜能。
电源管理应用中的关键是要将导通电阻（Ron）和开关速度这两个性能参数进行综合考虑。当前已有很多旨在提高GaN FET性能的开发工作，显示GaN器件与硅MOSFET器件相比，在给定击穿电压下具有更低的导通电阻数值。此外，GaN器件的优势不仅仅只限于低导通电阻上，GaN FET在开关工作时其栅极充放电所需的电荷量比硅器件要少很多。导通电阻与栅极电荷的乘积（RQ）是衡量功率晶体管品质一个很有用的参数。RQ数值较小表明器件具有较低的导通电阻和较快的开关速度。因此GaN器件要比硅功率器件开关速度快很多。这种低RQ值性能还有另一个好处，即是采用GaN的DC-DC转换器能够运行在更高的带宽中。硅功率MOSFET对于宽度小于100ns的脉冲进行处理时将会产生困难，而GaN FET可以对窄至4ns的脉冲实现开启或关闭。这意味着在一个点负载转换器中，GaN器件单级就可以实现48V到1V的转换，而同等的硅功率器件一般则需要先用一级转换成12V，再用一级转换为1V。
在过去的几年里，业界一致努力来进行增强型GaN FET（常关）的开发，尤其是在电源管理上的应用。这些增强型器件的应用之所以吸引人，是因为他们具有与当前MOSFET技术相类似的工作模式，但是具有更好的特征性能。许多日本企业，包括由Sanken Electric，Fuji、Furukawa Electric、Panasonic和NEC等公司所组成的技术联盟，均投资进行了增强型的GaN HEMT的开发。这些增强型GaN器件与其耗尽型GaN器件和硅MOSFET相比，需要采用不同的驱动器。如美国的National Semiconductor 和Texas Instruments等公司已经开发了能兼容增强型GaN驱动器件的生产线。这些在驱动器件上的努力最终将能提供一整套技术方案，使得GaN FET及其驱动器件能像MOSFET器件一样易于使用，将能加速增强型GaN器件市场的推广进程。
技术难点
为了发挥GaN所具有的在材料及其性能上的全部固有优势，GaN器件的开发将需要继续应对一系列的挑战。例如，由于缺乏合适的天然GaN衬底将会使GaN器件的生产变得更为复杂，因为难以像GaAs和硅晶体管的制造工艺一样，来生长出晶格匹配、无缺陷的GaN外延层。当前已经有使用氢化物气相外延（HVPE）方法来产生较厚的GaN膜层，并将该厚膜层作为一种GaN衬底材料来使用。生长GaN衬底的魅力在于其材料性能预期将能得到改善，可以显著提高LED的能源使用效率。但即使GaN衬底的生产工艺达到成熟，预计其成本也不能与纯硅衬底构成竞争优势。由于GaN衬底尚未达到生产性的规模，单晶GaN晶圆的生产商必须采用其他材料的外购衬底，如蓝宝石、SiC或硅衬底。迄今为止，SiC一直是制造微电子功率器件的首选材料，因为它的晶格常数与GaN相对比较匹配，并具有良好的热导性能。然而，SiC仍然是一个难以进行生产加工和成本昂贵的材料，对价格极为敏感的大规模生产应用时将会遇到在成本上的挑战。近年以来，高电阻率的硅材料已经在某些特定领域中成为可行的SiC替代材料。尽管它与GaN材料的晶格常数并不很匹配以及它的热学性能也较差，但是硅材料还是可以成为某些低成本应用的一种选择。硅衬底上GaN（GaN-on-Si）在由研发向大批量制造工艺的转移上展现出了它的发展潜力，因为它能与当前采用大尺寸硅晶圆的CMOS商用半导体制造工艺相兼容。有很多制造商在这方面做了大量开发工作，如ZZURRO Semiconductors开发出了150mm硅衬底上GaN外延晶圆，并且提出了开发300mm硅衬底上GaN外延晶圆的发展路线图。
市场估计
日益增加的能源需求和能源替代的发展趋势将给功率电子器件市场带来极大的发展机会。宽禁带半导体技术的优势非常引人注目，但是要取代现存的硅技术并实现一定规模的量产，还必须解决很多具有挑战性的问题。GaN技术能在这个细分专业市场中获得发展，是因为业界和政府机构都已充分认识到这项技术的重要性，并投入了大量资源来支持这一技术的发展。考虑到上述所有这些因素，GaN技术在高功率电子领域的应用虽处于起步阶段，虽然GaN功率器件目前仅仅占有高功率电子市场的一小部分，但预计GaN功率器件的平均年复合增长率将会高于100%，即平均每年约翻一番。未来十年将会保持强劲的增长势头。
总结
能源消耗的增加、数字经济的发展趋势、能源效率的革命以及分布式发电的增加等都将引爆功率电子器件的市场。现在的主流技术是硅IGBT和MOSFET器件。但宽禁带半导体材料GaN因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等优异性能，极大地刺激了其工艺和产品的开发力度及在功率电子器件领域的应用。