近年來(lái)，在材料生長(zhǎng)、器件制備等技術(shù)的不斷突破下，第三代半導(dǎo)體的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。其中，氮化鎵從2018年開(kāi)始，憑借著在消費(fèi)類快充電源領(lǐng)域的如魚(yú)得水，其發(fā)展也逐漸駛?cè)肓丝燔嚨溃瑯I(yè)界甚至將7月31日定為世界氮化鎵日。

　　本篇文章就來(lái)探討下，隨著氮化鎵市場(chǎng)的持續(xù)火熱，其未來(lái)會(huì)呈現(xiàn)出怎樣的光景?廠商們又為之做出了怎樣的布局?

　　消費(fèi)領(lǐng)域放量，邁向更高市場(chǎng)

　　氮化鎵作為一種寬帶隙復(fù)合半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、開(kāi)關(guān)頻率高，以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。其中，開(kāi)關(guān)頻率高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無(wú)源器件;擊穿電壓高則意味著電壓耐受能力比傳統(tǒng)硅材料高，不會(huì)影響導(dǎo)通電阻性能，因此能夠降低導(dǎo)通損耗。種種優(yōu)勢(shì)加持下，GaN 成為了更好支持電子產(chǎn)品輕量化的關(guān)鍵材料。

　　以氮化鎵最為火爆的快充市場(chǎng)為例，與傳統(tǒng)快充相比，氮化鎵快充具備更大的功率密度，充電和散熱速度更快，而且體積更小、便于攜帶，可以滿足消費(fèi)者對(duì)于電子產(chǎn)品充電快與輕量化的雙重需求，vivo、OPPO、蘋果、三星等手機(jī)大廠也接連入局。

　　今年3月，氮化鎵廠商納微半導(dǎo)體和GaN Systems先后宣布,進(jìn)入三星Galaxy S22快充供應(yīng)鏈,助力實(shí)現(xiàn)配套45W快充充電器;7月，Realme發(fā)布了真我GT2大師探索版，除了搭配百瓦氮化鎵充電頭之外，還*在手機(jī)端引入氮化鎵功率器件;同樣在7月，iQOO宣稱已在關(guān)鍵元器件電源開(kāi)關(guān)和PFC兩處使用氮化鎵，iQOO10Pro更是*商用200W 超快閃充技術(shù)，最快10分鐘可將4700mAh大電池從1%充至100%。種種舉措再次印證了手機(jī)廠商對(duì)于GaN快充產(chǎn)品的認(rèn)可。

　　數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)如今消費(fèi)快充市場(chǎng)已成為絕大多數(shù)氮化鎵功率半導(dǎo)體廠商營(yíng)收的主要來(lái)源。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，在消費(fèi)類電源市場(chǎng)，氮化鎵的規(guī)模到2027年將超過(guò) 9.156 億美元，2021 年至 2027 年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到 52%。

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　　與此同時(shí)，在相關(guān)技術(shù)演進(jìn)和終端廠商的聯(lián)合推動(dòng)下，氮化鎵的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷擴(kuò)展。不少分析師紛紛指出，除了消費(fèi)快充，數(shù)據(jù)中心、通訊基站、可再生能源等工業(yè)，甚至汽車市場(chǎng)等都將成為推動(dòng)下一個(gè)功率 GaN 浪潮的驅(qū)動(dòng)力。

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　　在數(shù)據(jù)中心和通信兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，GaN的理論優(yōu)勢(shì)正在主流設(shè)計(jì)中逐漸實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這兩個(gè)耗電大戶來(lái)說(shuō)，GaN電力電子技術(shù)可助力終端設(shè)備降低電力成本，并提高運(yùn)行效率，目前Rohm 正在為電信/數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供 150V GaN 產(chǎn)品。YOLE預(yù)測(cè)，用于數(shù)據(jù)通信/電信的 GaN 市場(chǎng)預(yù)計(jì) 2021-2027 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 69%，到 2027 年價(jià)值將超過(guò) 6.178 億美元。

　　在可再生能源方面，GaN功率元件的優(yōu)勢(shì)也十分明顯。納微半導(dǎo)體發(fā)布的寬禁帶行業(yè)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告指出，每顆出貨的清潔、綠色氮化鎵功率芯片可節(jié)省 4 kg CO2排放，GaN有望節(jié)省高達(dá) 2.6 億噸/年的二氧化碳排放量，相當(dāng)于650座燃煤發(fā)電站的排放量。

　　至于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，雖然相較于碳化硅的“上車”熱潮，當(dāng)前氮化鎵“上車”仍在蓄力中，GaN汽車市場(chǎng)規(guī)模仍然很小，但寶馬、緯湃科技等車企或Tier1都已經(jīng)躍躍欲試，其重要的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是，2021年寶馬與GaN Systems合作，就寶馬高性能車載標(biāo)準(zhǔn)氮化鎵功率半導(dǎo)體簽訂了全面的產(chǎn)能協(xié)議，合作金額達(dá)1億美元。

　　據(jù)了解，氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域主要有三種應(yīng)用，分別是車載充電器，用于給高壓電池充電;DC/DC轉(zhuǎn)換器，將來(lái)自高壓電池的電力轉(zhuǎn)換給汽車上其他電子設(shè)備;牽引驅(qū)動(dòng)或電機(jī)控制，可以用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中，GaN的高速特性作用于車載激光雷達(dá)，可助力激光雷達(dá)看得更遠(yuǎn)、更快、更清晰。YOLE預(yù)測(cè)，到 2027 年，GaN 汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò) 2.27 億美元，2021-2027 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 99%。

　　在終端市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，越來(lái)越多的氮化鎵廠商開(kāi)始將電動(dòng)汽車市場(chǎng)視為下一個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)。比如：GaN Systems將與EPowerlabs公司共同合作，為汽車企業(yè)交付一款高密度DC/DC功率轉(zhuǎn)換器——DDC48-1K;納微半導(dǎo)體在上海正式成立電動(dòng)汽車研發(fā)中心，與電動(dòng)汽車制造商合作開(kāi)發(fā)自己的氮化鎵系統(tǒng)。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，基于GaN技術(shù)的電動(dòng)汽車上市時(shí)間估計(jì)將在2025年前后，汽車領(lǐng)域或?qū)⒊蔀榈�化鎵大�?guī)模采用的主角。

　　氮化鎵基板，多種選擇

　　毫無(wú)疑問(wèn)，在各種終端市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，氮化鎵技術(shù)只會(huì)越來(lái)越火熱，但其發(fā)展也會(huì)遇到各種難題，襯底制備就是其中之一，GaN 基板成本高、制造難度大。不過(guò)，與只能采用碳化硅襯底的碳化硅晶圓不同，氮化鎵可經(jīng)由磊晶的技術(shù)沉積在不同的基板上，包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Sapphire)等。

　　目前市場(chǎng)上的GaN功率元件主要以GaN-on-Si(硅基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)兩種晶圓進(jìn)行制造。

　　其中，GaN-on-Si基于基礎(chǔ)硅技術(shù)上，可用較低的資本支出進(jìn)行生產(chǎn)，Si 上的 GaN 能夠在簡(jiǎn)單的空間硬控制模式下以高頻率和高功率水平運(yùn)行。目前，GaN-on-Si 用于衛(wèi)星、用于自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)等。相關(guān)研究人員曾總結(jié)道，GaN-on-Si 器件技術(shù)在導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)速度、熱性能、芯片尺寸和成本方面表現(xiàn)出令人印象深刻的性能。

　　在GaN-on-Si供應(yīng)鏈方面，納微半導(dǎo)體、氮矽科技等大部分廠商都致力于研究600-650V技術(shù)，只有IEPC、GaN Systems、臺(tái)積電、羅姆等小部分廠商發(fā)力小于200V的氮化鎵技術(shù)。據(jù)韓媒etnews今年年初報(bào)道，韓國(guó)晶圓代工廠商DB HiTek將生產(chǎn)基于硅基氮化鎵技術(shù)的8英寸半導(dǎo)體，通過(guò)提高半導(dǎo)體制造的競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)簡(jiǎn)化晶片加工以增強(qiáng)盈利能力。

　　圖源：集邦咨詢

　　而GaN-on-SiC則結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN的高功率密度和低損耗的能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此射頻性能更好。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，GaN-on-SiC 器件非常適合基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)防和航空應(yīng)用，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航及類似應(yīng)用。

　　此外，在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好，還具有高電阻特性，有利于毫米波傳輸。Wolfspeed 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 John Palmour 曾指出，與硅相比，SiC 器件可降低系統(tǒng)成本并提高性能，因此，SiC 上的 GaN 被證明具有*的整體價(jià)值。

　　值得注意的是，GaN-on-SiC晶圓受限于SiC襯底，大部分被限制在4英寸與6英寸，8英寸的還未推廣，目前SiC襯底技術(shù)主要掌握在國(guó)際少數(shù)廠商手上，例如美國(guó)Cree、II-VI及ROHM。

　　圖源：TrendForce

　　當(dāng)然，除了以上這兩種主流技術(shù)外，還有GaN-on-sapphire，以及GaN-on-QST、GaN-based-vertical devices、GaN-on-SOT等。

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　　其中，GaN on Sapphire算是最為成熟，也最為常見(jiàn)，主要用在LED領(lǐng)域;QST基板由Qromis研發(fā)，具有與氮化鎵磊晶層更緊密匹配的熱膨脹系數(shù)，在制程中堆棧氮化鎵的同時(shí)，也能降低翹曲破片，更有利于晶圓代工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因此成為了聯(lián)電、世界先進(jìn)兩大晶圓代工廠的選擇。目前，聯(lián)電透露預(yù)計(jì)2022年將提供8英寸 GaN on QST方案，主攻650～1,200V的功率范圍，世界先進(jìn)則將于2022年如期量產(chǎn)基于QST基板的氮化鎵組件。

　　全球廠商新動(dòng)態(tài)不斷

　　在火熱的市場(chǎng)機(jī)會(huì)背景下，全球各大廠商都開(kāi)始爭(zhēng)先布局氮化鎵技術(shù)，今年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)新聞更是接連不斷。

　　先來(lái)看海外廠商。今年1月24日，韓國(guó)GaN外延企業(yè)IV Works宣布，收購(gòu)法國(guó)Saint-Gobain的氮化鎵晶圓業(yè)務(wù)，通過(guò)此次收購(gòu)，IV Works可以掌握*的4英寸和6英寸氮化鎵晶圓量產(chǎn)技術(shù)。3月，IVworks還和應(yīng)用材料簽署聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議，宣布共同開(kāi)發(fā)1200 V氮化鎵功率半導(dǎo)體材料技術(shù)。

　　2月，英國(guó)氮化鎵材料開(kāi)發(fā)商Porotech完成2000萬(wàn)美元融資，將用于加速基于該公司“PoroGaN”化合物半導(dǎo)體材料的微型LED產(chǎn)品的量產(chǎn)。目前，該公司正在開(kāi)發(fā)一種新型的基于多孔氮化鎵的發(fā)光器件。

　　2月，比利時(shí)新 GaN 代工廠BelGaN收購(gòu)Onsemi 在 Oudenaarde 的晶圓廠，計(jì)劃將原有的 6英寸的晶圓廠改造成6英寸和8英寸的氮化鎵代工廠，目標(biāo)市場(chǎng)包括汽車、移動(dòng)、工業(yè)和可再生能源市場(chǎng)。

　　3月，日本豐田合成和大阪大學(xué)采用了一種在鈉和鎵的液態(tài)金屬中生長(zhǎng) GaN 晶體的方法，來(lái)制造高質(zhì)量的 GaN 襯底，成功制造出了 6 英寸的襯底，為目前世界*的襯底。

　　3月30日，Odyssey Semiconductor官網(wǎng)宣布，成功開(kāi)發(fā)700V的垂直 GaN 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET) 技術(shù)。Odyssey 首席執(zhí)行官Rick Brown 表示，有望在2022年為少數(shù)客戶提供1200 V垂直 GaN FET。

　　圖源：Odyssey Semiconductor

　　再來(lái)看，我國(guó)在政府的支持下，GaN 廠商的投資也越來(lái)越多

　　今年2月，英諾賽科完成近30億元D輪融資，并首度將GaN技術(shù)引入手機(jī)內(nèi)部充電保護(hù)。7月，采用英諾賽科 InnoGaN 產(chǎn)品的兩款氮化鎵充電器上架 Apple Store，標(biāo)志著英諾賽科氮化鎵功率器件打入蘋果合作伙伴 Mophie 供應(yīng)鏈。公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，英諾賽科蘇州與珠海月產(chǎn)能已達(dá)10000片，供貨穩(wěn)定，截至2022年上半年，英諾賽科GaN芯片出貨量已突破8000萬(wàn)顆。

　　據(jù)了解，英諾賽科正在投資超過(guò) 4 億美元，計(jì)劃到 2025 年將其 8 英寸晶圓產(chǎn)能從每月 1 萬(wàn)片擴(kuò)大到 7 萬(wàn)片。消費(fèi)市場(chǎng)。

　　2月，無(wú)錫吳越半導(dǎo)體有限公司獲數(shù)億元戰(zhàn)略融資，本輪融資將主要用于公司氮化鎵自支撐襯底的研發(fā)與擴(kuò)產(chǎn);3月，晶湛半導(dǎo)體完成數(shù)億元戰(zhàn)略融資，主要用于總部和研發(fā)中心建設(shè);5月，鎵未來(lái)完成近億元A+融資，主要用于氮化鎵功率芯片新產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用方案開(kāi)發(fā)，以及供應(yīng)鏈建設(shè)。

　　6月，華潤(rùn)微收購(gòu)第三代半導(dǎo)體廠商大連芯冠科技有限公司34.5625%股份，入局GaN，同時(shí)后者更名為潤(rùn)新微電子(大連)有限公司，該公司已建成首條6英寸硅基氮化鎵外延及功率器件晶圓生產(chǎn)線。

　　8月，宏光半導(dǎo)體宣布按配售價(jià)每股3.20港元向不少于六名承配人配售3,000萬(wàn)股新股。據(jù)悉，宏光半導(dǎo)體此次配售新股的主要目的在于加強(qiáng)半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)能力如發(fā)光二極管、迷你LED、快速電池充電、第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)器件等。

　　8 月 10 日，蘇州納維科技研發(fā)和生產(chǎn)總部大樓封頂，將建設(shè)成為國(guó)際前三的氮化鎵單晶襯底研發(fā)基地與高端產(chǎn)品生產(chǎn)基地，預(yù)計(jì)年產(chǎn)氮化鎵單晶襯底及外延片 5 萬(wàn)片。

　　8月11日，中國(guó)臺(tái)灣國(guó)科會(huì)通過(guò)了鴻鎵科技中科分公司的投資案。據(jù)悉，鴻鎵科技擬投資2億新臺(tái)幣(約4500萬(wàn)人民幣)設(shè)立鴻鎵科技中科分公司，進(jìn)駐中科臺(tái)中園區(qū)，主攻研制氮化鎵功率外延片及氮化鎵功率晶體等產(chǎn)品。

　　寫在最后

　　即便氮化鎵未來(lái)前景廣闊，但現(xiàn)階段成本較高、電池安全性等難題仍然存在，但在眾多廠商的努力研發(fā)下，期待它未來(lái)路子越走越寬。

　　本文參考：集邦咨詢《2022第三代半導(dǎo)體功率應(yīng)用市場(chǎng)報(bào)告》