作為寬禁帶半導(dǎo)體家族中的一員，氮化鎵(GaN)功率器件近兩年獲得了比之前更高的關(guān)注度，正逐漸成為第三代半導(dǎo)體材料中最耀眼的一顆新星。FPbesmc

根據(jù)Yole預(yù)測，到2028年，GaN功率器件市場的價(jià)值將從2021年的1.26億美元增長到20.4億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)49%，消費(fèi)電子、汽車、通信、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用對其青睞有加。與此同時，大批廠商也力圖在GaN上實(shí)現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)能突破以搶占市場先機(jī)，激烈的競爭正快速推動氮化鎵成為降本增效和可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。FPbesmc

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圖1：2022-2028 GaN功率器件市場規(guī)模(單位：萬美元) 數(shù)據(jù)來源：YOLEFPbesmc

Si、SiC和GaN定位比較

從總的應(yīng)用趨勢看，目前，80V-650V區(qū)域是GaN的天下，整個市場規(guī)模約為70億美元，手機(jī)、筆記本電源適配器、家電是主要應(yīng)用領(lǐng)域；1,200V-6,500V的高壓部分更適合碳化硅(SiC)，整體市場規(guī)模達(dá)到了93億美元，電動汽車、新能源、軌道交通、電網(wǎng)等是其核心市場；而在兩者之間則是GaN和SiC可以共存的市場，主要包括數(shù)據(jù)中心、電動車等，市場規(guī)模達(dá)到了61億美元。FPbesmc

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圖2：高達(dá)220億美元的第三代半導(dǎo)體市場 圖片來源：NavitasFPbesmc

英諾賽科(珠海)科技有限公司高級副總裁孫毅分析認(rèn)為，GaN之所以近年來獲得了較高的關(guān)注度，主要源于在以下三方面得到了實(shí)質(zhì)性的突破：FPbesmc

• GaN材料優(yōu)勢在應(yīng)用端的價(jià)值被不斷發(fā)掘，例如能夠在消費(fèi)類電子領(lǐng)域中有效的減小充電頭體積；在數(shù)據(jù)中心、光伏、儲能領(lǐng)域中提高功率密度，用戶在實(shí)際電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以不斷提高開關(guān)頻率和功率密度；
• 當(dāng)前GaN的成本隨著大規(guī)模量產(chǎn)迅速降低，不僅比碳化硅器件低很多，而且已經(jīng)接近甚至低于硅器件；
• 穩(wěn)定的產(chǎn)能支持。以英諾賽科已經(jīng)建成的全球最大的8英寸硅基氮化鎵產(chǎn)線為例，目前其產(chǎn)能已達(dá)到1.5萬片/月，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到7萬片/月，這給了客戶足夠的信心與保障。

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英諾賽科(珠海)科技有限公司高級副總裁孫毅FPbesmc

“GaN、SiC和Si器件的競爭主要在集中在高壓650V及以上領(lǐng)域。”孫毅表示，氮化鎵的優(yōu)勢主要在于開關(guān)速度快、高頻和高功率密度，因此在充電頭、服務(wù)器電源、光伏微逆等領(lǐng)域優(yōu)勢很大。客戶在應(yīng)用氮化鎵時，往往會從系統(tǒng)考慮高頻運(yùn)行，減小變壓器、電感以及系統(tǒng)的體積，從而最大程度發(fā)揮氮化鎵的優(yōu)勢。FPbesmc

SiC的優(yōu)勢應(yīng)用場景來自新能源汽車的電機(jī)驅(qū)動，畢竟從電源應(yīng)用角度來看，SiC效率相較于超結(jié)MOSFET和IGBT更高。從應(yīng)用設(shè)計(jì)上來說，GaN產(chǎn)品以及封裝形式比較多樣，既有表貼封裝，也有插件封裝，而SiC主要以插件封裝和模塊為主。FPbesmc

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Power Integrations公司全球營銷副總裁Doug BaileyFPbesmc

“由于GaN接近理想開關(guān)，我個人的看法是‘應(yīng)選盡選’——只要能上，就應(yīng)該使用氮化鎵。”Power Integrations公司全球營銷副總裁Doug Bailey對《國際電子商情》表示，GaN基本上會取代較低電壓的產(chǎn)品(從市電電壓到1,200V)，因?yàn)殡S著氮化鎵電壓的提高，它將取代碳化硅；隨著載流能力的提高，它將取代IGBT?？傮w而言，氮化鎵將在一定功率范圍內(nèi)占據(jù)整個市場，特別適用于在整個負(fù)載范圍內(nèi)都要求高效率的應(yīng)用。 FPbesmc

他特別強(qiáng)調(diào)說，從電源應(yīng)用的角度來看，效率和成本是決定其他一切的關(guān)鍵驅(qū)動因素。效率能減少熱量、縮小尺寸和降低成本，市場動力不僅來自監(jiān)管要求，還來自市場對電源體積更小、重量更輕的要求。在成本方面，Power Integrations(簡稱PI)發(fā)現(xiàn)，對于規(guī)格較高的高端電源而言，氮化鎵是成本最低的方法，因?yàn)樗梢怨?jié)省散熱片和高效硅基設(shè)計(jì)的復(fù)雜拓?fù)渌璧念~外開關(guān)。FPbesmc

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意法半導(dǎo)體(ST)汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部市場溝通經(jīng)理Gianfranco DI MARCOFPbesmc

意法半導(dǎo)體(ST)汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部市場溝通經(jīng)理Gianfranco DI MARCO的看法也很清晰。雖然硅器件傳統(tǒng)上涵蓋了整個中高低功率應(yīng)用，但是硅的固有特性使其在開關(guān)頻率、功率損耗和耐熱等方面存在一些制約因素。在實(shí)際應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)限制了產(chǎn)品對小型化和輕量化發(fā)展、高能效和可持續(xù)性、以及穩(wěn)健可靠運(yùn)行等目標(biāo)的追求。FPbesmc

相較硅材料在這些方面存在的先天不足，SiC和GaN器件則展現(xiàn)出切實(shí)的優(yōu)勢。例如，兩者的開關(guān)速度特別快，可以有效減少無源元件的體積，而較低的電能損耗則可以大幅提升電動汽車等電池供電應(yīng)用的能效。SiC還能夠在高溫環(huán)境下連續(xù)可靠運(yùn)行，使該技術(shù)非常適合高功率應(yīng)用中的高密度功率轉(zhuǎn)換，特別是電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)和充電場景。FPbesmc

為GaN打開新機(jī)遇的大門

其實(shí)，相比SiC，GaN器件此前已經(jīng)在LED照明、快充及無線充電、5G射頻通信等領(lǐng)域得到了大量使用。 FPbesmc

在最具代表性的快速充電市場，借助GaN，智能手機(jī)制造商可以制造外殼尺寸更小且性價(jià)比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價(jià)比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度值使得每瓦美元更低。比較三星的硅基和GaN基充電器有助于證明這一點(diǎn)：三星45W Si快速充電器的功率密度為0.55W/cm³，而其45W基于GaN的充電器擁有 0.76w/cm³的功率密度，占地面積縮小了近30%。FPbesmc

據(jù)Yole預(yù)測，到2028 年，功率GaN市場將占電力電子市場的6%以上。其中，消費(fèi)類快速充電器和適配器仍然是Power GaN的主要驅(qū)動力，新趨勢包括更高功率(高達(dá)300W)和“全GaN”充電器，從而導(dǎo)致每個充電器的GaN含量更高。FPbesmc

GaN在射頻應(yīng)用，包括5G無線網(wǎng)絡(luò)、無線基礎(chǔ)設(shè)施、衛(wèi)星和軍事通信、雷達(dá)系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中也發(fā)揮著重要作用，主要是其高電子遷移率和高帶寬特性，讓GaN放大器的輸出功率和能效比硅放大器更高，從而提高射頻系統(tǒng)的通信距離和測量準(zhǔn)確度。FPbesmc

除了消費(fèi)市場之外，汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)將成為GaN器件未來新的增長驅(qū)動力，對這些行業(yè)來說，在系統(tǒng)中采用GaN不再是“是否”的問題，而是“何時”的問題。FPbesmc

·太陽能光伏微逆

對于太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)而言，基于GaN的逆變器可以同時應(yīng)用在低壓側(cè)和高壓側(cè)，以及更高的頻率下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，由于開關(guān)損耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，從而帶來兩個優(yōu)勢：一是發(fā)電量更高；二是在同樣的體積下，GaN方案有機(jī)會實(shí)現(xiàn)一倍以上的功率，從而降低系統(tǒng)的成本。 FPbesmc

·電動汽車

隨著電池系統(tǒng)向800V演進(jìn)，支持高壓快充、更大的主驅(qū)功率提升和高功率密度設(shè)計(jì)成為了新的目標(biāo)，要求車載電源必須要在功率密度、生產(chǎn)制造性、高可靠性與低成本之間找到平衡，但這不是一件輕松的事情。而主機(jī)廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因?yàn)榈壴诟哳l應(yīng)用上具備優(yōu)勢，可以在確保產(chǎn)品性能的同時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關(guān)心的。FPbesmc

比如，以采用PowiGaN™技術(shù)的Power Integrations 900V InnoSwitch3™系列反激式開關(guān)IC為例，該芯片可提供高達(dá)100W的功率，效率超過93%，因而無需散熱片，并可簡化空間受限型應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)，非常適合基于400V母線系統(tǒng)的電動汽車中的各種功率變換器(例如車載充電器)，以及在低功耗睡眠模式下為電動汽車提供輔助電源。FPbesmc

48V電池的電池保護(hù)也是典型應(yīng)用案例。英諾賽科2023年推出的100V雙向氮化鎵器件在48V電池BMS保護(hù)中得到了大量應(yīng)用，和傳統(tǒng)MOSFET相比，占板面積減小50%以上，導(dǎo)通損耗減少50%，系統(tǒng)成本降低20%以上。FPbesmc

·數(shù)據(jù)中心及人工智能服務(wù)器電源

同樣，高開關(guān)頻率可以降低功率轉(zhuǎn)換和配電系統(tǒng)的功率損耗，為數(shù)據(jù)中心節(jié)省巨大的成本。以中國數(shù)據(jù)中心1年2,700億度耗電量為例，如果將鉑金電源全部升級為鈦金電源，整個數(shù)據(jù)中心市場可以提升1.8%的電源轉(zhuǎn)換效率，節(jié)電50億度，達(dá)到了一座中型發(fā)電站的發(fā)電量，相當(dāng)于減少500萬噸二氧化碳排放，或是200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用，這還僅是在單一AC-DC電源通過使用第三代半導(dǎo)體后做出的貢獻(xiàn)。FPbesmc

數(shù)據(jù)中心電源功率密度和轉(zhuǎn)換效率越來越高，是第三代半導(dǎo)體受到青睞的根本原因。2018-2021年，隨著CPU/GPU性能持續(xù)走強(qiáng)，服務(wù)器系統(tǒng)所需電源功率越來越大，數(shù)據(jù)中心電源功率密度高達(dá)100W/inch^3(3.2千瓦)，提高約3-4倍，這對傳統(tǒng)硅基器件來說，幾乎是一件不可能完成的任務(wù)。同時，2023年歐盟強(qiáng)執(zhí)行鈦金效率要求，甚至有些客戶需要電源效率高達(dá)98%。FPbesmc

目前，服務(wù)器電源的功率等級已從800W提升到1.3kW，甚至4kW，因此對功率密度以及效率提出了非常高的要求。氮化鎵的開通與關(guān)斷損耗與碳化硅、硅器件相比下降了50%以上，并且沒有反向恢復(fù)損耗，可以輕松滿足鈦金級效率需求，因此在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源中應(yīng)用越來越多。FPbesmc

·工業(yè)與醫(yī)療

在工業(yè)領(lǐng)域，增加的功率能力和更高的效率在家電、三相電機(jī)和服務(wù)器中的輔助電源等應(yīng)用中也極具優(yōu)勢。PI新的900V氮化鎵器件與現(xiàn)有的725V和750V InnoSwitch3-EP器件引腳相兼容，并提供更高的安全裕量，非常適合市電電壓不穩(wěn)的國家或地區(qū)。此外，GaN功率電子器件的高功率密度和高能效讓MRI機(jī)器等醫(yī)療成像設(shè)備具有更好的診斷能力和更快的成像時間。FPbesmc

大規(guī)模推廣，痛點(diǎn)已除？

孫毅說英諾賽科并不完全認(rèn)同“GaN功率電子器件在市場上進(jìn)行大規(guī)模推廣，仍面臨價(jià)格、數(shù)量和供應(yīng)安全這三大痛點(diǎn)”的說法。他表示，英諾賽科每月1.5萬片8英寸氮化鎵晶圓的產(chǎn)能，相當(dāng)于2.7萬片6英寸氮化鎵的產(chǎn)能。同時基于規(guī)?；慨a(chǎn)，英諾賽科氮化鎵已經(jīng)接近甚至低于硅MOSFET的價(jià)格。根據(jù)規(guī)劃，英諾賽科在2026年將達(dá)到每月7萬片8英寸氮化鎵的產(chǎn)能，基本可以滿足未來市場應(yīng)用的需求。FPbesmc

作為中國氮化鎵的頭部企業(yè)，英諾賽科占據(jù)了全球53%以上，中國90%以上的產(chǎn)能。2022年，其更是憑借銷售額與出貨量成為全球最大的氮化鎵企業(yè)。在孫毅看來，全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品布局；從產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)、制造到應(yīng)用的IDM模式；以及產(chǎn)能、成本與良率，是英諾賽科相比海內(nèi)外同行具備的核心競爭力。 FPbesmc

目前，英諾賽科是唯一能夠量產(chǎn)從30V到900V的氮化鎵器件企業(yè)，良率達(dá)到90%以上，高壓器件達(dá)到了95%，得益于市場應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和8英寸硅基氮化鎵技術(shù)的成熟，英諾賽科2023年上半年銷售額比去年同期增長500%，累計(jì)出貨量成功突破3億顆。FPbesmc

Doug Bailey也表達(dá)了類似的觀點(diǎn)。“其他公司可能會存在價(jià)格、數(shù)量或供應(yīng)鏈問題，但我們沒有。因?yàn)镻ower Integrations發(fā)現(xiàn)，使用氮化鎵的最佳方法是圍繞它構(gòu)建一個系統(tǒng)。"FPbesmc

他以PI開發(fā)的氮化鎵子系統(tǒng)，如InnoSwitch™反激式電源IC、功率因數(shù)校正HiperPFS-5™器件和LytSwitch-6™ LED驅(qū)動器為例，指出這些器件使設(shè)計(jì)人員能夠從設(shè)計(jì)中去除散熱片和風(fēng)扇等組件，因?yàn)榈夐_關(guān)的高效率意味著散熱更少；還可以減少開關(guān)元件數(shù)，因?yàn)椴恍枰獜?fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；或者減少材料使用量，因?yàn)榈壙商岣吖β拭芏?，使得外殼更小。因此，對于高效率?yīng)用而言，氮化鎵實(shí)際上是成本最低的選擇。FPbesmc

在產(chǎn)量和供應(yīng)鏈方面，Power Integrations除了擁有大量的氮化鎵晶圓庫存外，還擁有第三方代工廠的生產(chǎn)設(shè)備，因此可以靈活控制供應(yīng)鏈，這意味著公司能夠向充電器制造商以及其他應(yīng)用市場的客戶交付數(shù)百萬顆氮化鎵IC。獨(dú)立調(diào)研公司Yole也將Power Integrations列為氮化鎵器件銷量排名第一的供應(yīng)商。FPbesmc

相比之下，Gianfranco DI MARCO還是認(rèn)為GaN功率器件推廣應(yīng)用面臨著重大挑戰(zhàn)，除制造成本和產(chǎn)能之外，GaN的長期可靠性也尚未經(jīng)過驗(yàn)證。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，包括意法半導(dǎo)體在內(nèi)的供應(yīng)鏈企業(yè)仍需要繼續(xù)專注研發(fā)，以優(yōu)化制造技術(shù)，提高產(chǎn)量，降低成本；執(zhí)行并完善嚴(yán)格的品控措施，確保產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)健性。只有這樣，隨著工藝的不斷改進(jìn)和產(chǎn)能的擴(kuò)大，GaN器件商業(yè)化不斷推進(jìn)，產(chǎn)品入市的主要障礙才會很快得到破除。FPbesmc

接下來，GaN走向何方

在Gianfranco DI MARCO看來，未來GaN 器件的發(fā)展可能會受到高能效、高功率的GaN功率電子器件開發(fā)，整合碳化硅和硅基芯片制造工藝以降低成本和最大化功率密度的影響。此外，碳化硅器件的可靠性將不斷提高，畢竟這對于汽車等要求較高應(yīng)用至關(guān)重要。 FPbesmc

電動汽車、可再生能源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心等高頻高功率應(yīng)用；雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和無線基礎(chǔ)設(shè)施等高頻、高功率射頻和微波應(yīng)用，是Gianfranco DI MARCO非?？春玫腉aN應(yīng)用場景。此外，在照明應(yīng)用中，基于GaN的LED光源的能效和顯色率預(yù)計(jì)將繼續(xù)提高，GaN功率芯片還將改善計(jì)算機(jī)和個人設(shè)備的充電器和適配器的尺寸、能效和充電速度。FPbesmc

孫毅則表示，以下四方面的發(fā)展趨勢最值得關(guān)注：FPbesmc

1. 高壓中小功率段，控制器/驅(qū)動與氮化鎵的合封將會成為主流；
2. 高壓大功率段，雙向氮化鎵器件會快速發(fā)展并得到應(yīng)用。這種器件可以將光伏微逆、儲能逆變器、充電樁等系統(tǒng)成本降低50%以上, 很有可能重新定義整個高壓大功率市場；
3. 中低壓氮化鎵器件成本會迅速降低，在對功率密度要求高的應(yīng)用領(lǐng)域迅速鋪開；
4. 氮化鎵的可靠性已在大量應(yīng)用中快速得到驗(yàn)證，并將迅速的進(jìn)入工業(yè)、汽車等領(lǐng)域；

“氮化鎵接下來的主要技術(shù)趨勢將是提高電壓。”Doug Bailey說，Power Integrations已經(jīng)推出了900V版本的POWIGaN氮化鎵開關(guān)，業(yè)界正在探討開發(fā)1,200V的氮化鎵器件，甚至在未來某個時刻實(shí)現(xiàn)1,700V額定耐壓的氮化鎵開關(guān)，似乎也不是什么不可逾越的障礙。FPbesmc

屆時，由于制造成本較低，氮化鎵將在許多應(yīng)用中擠掉碳化硅。而且由于氮化鎵接近理想開關(guān)，Power Integrations方面認(rèn)為氮化鎵將在所有電源應(yīng)用中普及，尤其是那些要求高效率的應(yīng)用，包括充電器、汽車、家電、電網(wǎng)、LED照明、可再生能源(太陽能和風(fēng)能)、電動汽車等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，僅公司目前正在實(shí)施的氮化鎵設(shè)計(jì)導(dǎo)入項(xiàng)目就超過了100個。FPbesmc

“雙管齊下”策略

不少頭部公司在第三代半導(dǎo)體器件布局上采取了“雙管齊下”的策略，即同時關(guān)注碳化硅和氮化鎵。例如2022年8月，納微半導(dǎo)體(Navitas Semiconductor)正式并購GeneSiC公司，構(gòu)建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導(dǎo)體“雙引擎”戰(zhàn)略；2023年3月，英飛凌宣布斥資 8.3億美元收購氮化鎵系統(tǒng)(GaN Systems)公司等。這樣的策略能為一家企業(yè)帶來怎樣的競爭優(yōu)勢？兩種技術(shù)的混合使用會給系統(tǒng)級應(yīng)用帶來哪些好處？成為人們熱議的話題。FPbesmc

Doug Bailey的回答很有意思。他強(qiáng)調(diào)稱，“Power Integrations不是氮化鎵狂熱分子，也不是一家純粹的氮化鎵公司，我們也樂于銷售硅和碳化硅”。言外之意，他們的工具箱里有很多工具——可以根據(jù)市場需要靈活部署氮化鎵、碳化硅或硅，例如除了傳統(tǒng)的高效硅基解決方案組合外，Power Integrations還提供750V和900V反激式變換器氮化鎵IC，以及為800V汽車設(shè)計(jì)提供的1,700V碳化硅器件。FPbesmc

更重要的是，Doug Bailey希望行業(yè)知道，不要從狹義的寬禁帶角度看待市場增長，而是要從更廣泛的電源市場角度來看待問題。也就是說，要通過采用系統(tǒng)級方法，結(jié)合適用于具體應(yīng)用的正確開關(guān)技術(shù)(硅、碳化硅或氮化鎵)，創(chuàng)建性能一流的解決方案，同時降低系統(tǒng)成本，才能為客戶帶來雙重優(yōu)勢，使他們的最終產(chǎn)品與眾不同。FPbesmc

作為同樣專注于兩種寬禁帶技術(shù)的企業(yè)，ST方面的感受是“雙管齊下”的策略給企業(yè)帶來了很多競爭優(yōu)勢，其中包括能夠借助在一種技術(shù)上的積累沉淀助力另一種技術(shù)的開發(fā)，以及向客戶和市場提供各種功率電子產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。而且，在系統(tǒng)級應(yīng)用中同時使用硅、SiC和GaN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的能效、功率密度和整體性能，有助于功率電子系統(tǒng)瘦身減重，更易于集成到各種應(yīng)用中，且成本適當(dāng)。FPbesmc

結(jié)語

以GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，是當(dāng)前國際高科技產(chǎn)業(yè)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，也正處于產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵窗口期，因此受到了全球?qū)W術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、政府，甚至金融投資界的高度重視。隨著下游創(chuàng)新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)和爆發(fā)，各國廠商都在厲兵秣馬，力爭在這個“諸神亂斗”的行業(yè)找到屬于自己的一片天空。FPbesmc

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考慮到功率器件應(yīng)用的廣度與深度正與日俱增，在將于2023年11月2-3日舉辦的國際集成電路展覽會暨研討會( IIC Shenzhen)期間，主辦方還將同期舉辦高效電源管理及功率器件論壇。屆時，來自國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的頭部大廠將與現(xiàn)場觀眾一起分享最新的技術(shù)發(fā)展成果，歡迎點(diǎn)擊報(bào)名參會。FPbesmc