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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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