從消費(fèi)級到車規(guī)級，氮化鎵（GaN）技術(shù)有何優(yōu)勢？

作為電力電子領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，基于GaN的電能轉(zhuǎn)換技術(shù)在消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，這對提高電能的高效利用及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排起著關(guān)鍵作用。目前，GaN正在從低功率消費(fèi)電子市場轉(zhuǎn)向高功率數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、通信電源等市場。這些應(yīng)用需要的電源具有更大的功率密度、更高的能效、更高的開關(guān)頻率、更出色的熱管理以及更小的尺寸，而GaN正是達(dá)成這些目標(biāo)的關(guān)鍵一步。安世半導(dǎo)體副總裁姜克強(qiáng)調(diào)，相較于硅元件，氮化鎵（GaN）功率器件的優(yōu)勢在于更高的電流密度、遷移率以及優(yōu)秀的耐熱性、導(dǎo)電性和散熱性。

預(yù)計(jì)在2021年至2027年間，全球GaN功率器件市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到30%，到2027年市場規(guī)模有望超過10億美元，來源：Yole

據(jù)行業(yè)預(yù)測，從2021年到2027年，全球GaN功率器件市場的復(fù)合年增長率（CAGR）預(yù)計(jì)將達(dá)到30%，并預(yù)計(jì)到2027年，其市場規(guī)模將超過10億美元。這種增長的推動力主要源自電力電子設(shè)備的小型化和高效率化需求。由于GaN的物理特性，它能夠?yàn)殡娏﹄娮釉O(shè)備提供小型化和高效率化的解決方案。例如，GaN的低開關(guān)損耗和高工作頻率能夠顯著提高電源的運(yùn)行效率和功率密度，這在很大程度上推動了其在電源市場的應(yīng)用。

目前國內(nèi)GaN功率元件市場的發(fā)展主要由消費(fèi)電子所驅(qū)動，關(guān)鍵應(yīng)用為快速充電器，以及音頻、無線充電、電源和其它消費(fèi)級產(chǎn)品等應(yīng)用場景。據(jù)預(yù)測，到2026年，氮化鎵功率器件市場規(guī)模將增長到13.3億美元，復(fù)合增長率達(dá)到65%。此外，數(shù)據(jù)中心和汽車市場也是氮化鎵產(chǎn)品的重要潛力領(lǐng)域，它們可以通過應(yīng)用氮化鎵產(chǎn)品來降低電力消耗和成本。

然而，GaN的應(yīng)用并不止于此。在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，汽車行業(yè)無疑是最具潛力的。隨著電動汽車的快速發(fā)展，對節(jié)能和高效的需求也隨之增加。因此，各大車企開始研發(fā)將GaN用于汽車的各個(gè)部分，特別是在車載充電器和高壓直流轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵部位。GaN的低開關(guān)損耗能夠顯著提高電動汽車的運(yùn)行效率，進(jìn)而減輕車載散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使得電動汽車的續(xù)航里程得以增加。其次，GaN場效應(yīng)晶體管的高工作頻率可以縮小功率磁性器件的尺寸約60%，降低系統(tǒng)成本，提高整體功率密度，為新能源汽車的發(fā)展開辟新的可能性。通過這些優(yōu)勢，氮化鎵的汽車市場潛力巨大。

選擇硅、碳化硅還是GaN作為材料取決于應(yīng)用場景的特定需求，如成本、導(dǎo)熱和導(dǎo)通頻率等。據(jù)悉，歐盟已在2021年啟動項(xiàng)目，目標(biāo)是將GaN的電壓提升到1200V，并將晶圓尺寸從6吋增大到12吋。這意味著GaN產(chǎn)品已經(jīng)開始應(yīng)用于電動汽車等領(lǐng)域，未來，隨著基站的建設(shè)，氮化鎵的需求將不斷增長。此外，GaN在電動汽車（EV）中的應(yīng)用能顯著提高充電速度，減小設(shè)備體積，以及增加系統(tǒng)的整體效率。據(jù)行業(yè)內(nèi)部人士指出，GaN能夠顯著提高電動汽車的充電效率，使充電時(shí)間縮短60%，將充電器的功率從原來的6.6千瓦提高到22千瓦，從而使整個(gè)充電速度提升了3倍。此外，GaN在雙向電路中起到關(guān)鍵作用，降低5%的電池電量損耗，間接增加5%的續(xù)航。

最后，相較于傳統(tǒng)的硅器件，GaN技術(shù)可以大大節(jié)省制造和加工化學(xué)品和能源，減少制造和運(yùn)輸過程中的二氧化碳排放。每出貨一個(gè)氮化鎵電源IC都可以凈減少4公斤的二氧化碳。這就是為什么像電動汽車先驅(qū)Brua這樣的公司會公開表示，他們將從SiC轉(zhuǎn)向GaN，作為進(jìn)一步減小充電器尺寸和重量的關(guān)鍵因素，同時(shí)還可以減少二氧化碳排放，以達(dá)到他們的環(huán)保目標(biāo)。

就市場規(guī)模而言，一輛電動汽車中氮化鎵芯片的總潛在市場空間（TAM）超過250美元，其中包括車載充電器近50美元，DC/DC逆變器約15億美元，而主驅(qū)動應(yīng)用接近200美元。根據(jù)行業(yè)預(yù)測，到2025年，氮化鎵芯片在電動汽車中的市場機(jī)會總值將超過25億美元/年。根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟CASA的數(shù)據(jù)，碳化硅產(chǎn)業(yè)的年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)將接近37.5%，到2026年將達(dá)到245億。根據(jù)集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕的預(yù)測，受到這些市場的推動，氮化鎵功率元件的市場規(guī)模將從2022年的1.8億美元增長到2026年的13.3億美元，復(fù)合增長率達(dá)65%。對于汽車市場，氮化鎵目前處于早期驗(yàn)證階段，但許多廠商正積極進(jìn)行研發(fā)工作。預(yù)計(jì)到2025年，氮化鎵將小批量滲透到低功率的OBC和DC-DC中。

擴(kuò)產(chǎn)并購整合，哪些氮化鎵廠商在布局汽車市場？

在氮化鎵上車的大背景下，全球各大半導(dǎo)體廠商紛紛開始擴(kuò)充氮化鎵生產(chǎn)線。比如英飛凌公司收購了GaNSystem，PI、Navitas和中國的innoscience在氮化鎵市場擁有大的份額。德州儀器也已經(jīng)推出了其汽車用氮化鎵解決方案，還有如EPC廠商和Transphorm也在低壓市場和生產(chǎn)能力上有良好表現(xiàn)。avitas推出了具有精密傳感功能的集成功率IC，這將提高電動汽車電源應(yīng)用的效率、自主性和可靠性。這使得GaN IC能夠檢測高風(fēng)險(xiǎn)條件并采取行動，保護(hù)IC和系統(tǒng)免受任何故障的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在電動汽車應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

目前許多GaN廠商已經(jīng)開發(fā)了650V GaN器件并通過了認(rèn)證，用于車載充電器和EV/HEV中的DC/DC轉(zhuǎn)換，并與許多汽車企業(yè)建立合作關(guān)系。例如，GaN Systems為Canoo提供車載充電器，并與FTEX合作將650-V GaN功率設(shè)備集成到電動滑板車系統(tǒng)中。Transphorm與Marelli合作提供車載充電和DC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備。Nexperia與Ricardo合作開發(fā)基于GaN的電動汽車逆變器設(shè)計(jì)，VisIC Technologies與采埃孚合作為400-V傳動系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)GaN半導(dǎo)體。GaN電源IC廠商N(yùn)avitas將與Live Oak Acquisition合并，成為市值10.4億美元的上市公司，支持EV/HEV等市場產(chǎn)品開發(fā)。GaN模組的早期發(fā)展追隨SiC的足跡，各廠商也在準(zhǔn)備更廣泛的產(chǎn)業(yè)合作。

在過去十年，中國廠商在氮化鎵領(lǐng)域的努力非常顯著，有許多項(xiàng)目涌現(xiàn)，如雨后春筍，尤其在襯底和氮化鎵外延等領(lǐng)域，中國企業(yè)的表現(xiàn)日益強(qiáng)勁。低壓領(lǐng)域也有許多參與者，但高壓領(lǐng)域的參與者相對較少。中國有很大的市場，為氮化鎵的國產(chǎn)替代和迭代提供了許多優(yōu)勢。聞泰科技全資子公司安世半導(dǎo)體推出了GaN FET，目標(biāo)市場包括汽車、數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動化和高端電源等領(lǐng)域。德蔚來汽車也與氮化鎵半導(dǎo)體公司合作開發(fā)了一款能夠在電動汽車中應(yīng)用的高效電源。

車規(guī)級功率器件，到底是用碳化硅還是氮化鎵？

目前業(yè)界一個(gè)常見的問題是，在汽車領(lǐng)域，到底是用碳化硅還是氮化鎵？

從應(yīng)用方向來看，氮化鎵器件目前主要有三個(gè)方向：LED領(lǐng)域的藍(lán)寶石應(yīng)用、射頻器件以及功率器件。氮化鎵因其寬禁帶和高電子遷移率，適用于高導(dǎo)通頻率的要求。功率器件主要利用氮化鎵的這些優(yōu)勢。氮化鎵器件目前有兩種主流器件，一種是平面器件，一種是縱向器件。平面器件利用的是鋁+氮，形成二維電子器，它的電子遷移率非常高，因此非常適合高導(dǎo)通頻率的應(yīng)用?？v向器件則主要利用碳化硅基底的優(yōu)良導(dǎo)熱性，能夠有效地散發(fā)大量熱量，達(dá)到更好的導(dǎo)通頻率和節(jié)溫。對于縱向器件，目前尚處于商業(yè)早期階段，一些歐美主流廠商已經(jīng)開始大力推廣這種技術(shù)。而在中國，雖然有一些研究所正在研究這個(gè)問題，但商用的基本非常少。

北京大學(xué)教授寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波教授表示，按照電壓分類，低壓以硅為主，中壓氮化鎵有優(yōu)勢，高壓則是碳化硅的天下。氮化鎵功率電子相較于碳化硅成本較低，性能優(yōu)于硅，主要優(yōu)勢在于工作頻率，特別適合需要高工作頻率、高效率的場景。但在可靠性方面，氮化鎵相對碳化硅的功率電子還不夠成熟。因此，新能源汽車上真正使用的還是碳化硅。氮化鎵功率半導(dǎo)體的發(fā)展方向是高頻、高速、小型化，并具有做單片集成的巨大優(yōu)勢。

近年來，北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心重點(diǎn)布局硅上GaN、功率半導(dǎo)體、濾波器和硅上的LED，已取得一些突破。與臺積電、華為等有密切合作，愿意為芯片設(shè)計(jì)企業(yè)提供專業(yè)支持。以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，已建立了完整的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系，但與國際頂尖水平還有3-5年差距，產(chǎn)業(yè)差距大于研發(fā)差距，高端芯片主要依賴進(jìn)口。

華燦光電氮化鎵電力電子研發(fā)總監(jiān)邱紹諺強(qiáng)調(diào)，氮化鎵的技術(shù)突破已吸引各大廠商加速市場發(fā)展，將帶來營收和市場規(guī)模的大幅增長。盡管氮化鎵最大的應(yīng)用還是消費(fèi)電子市場，但預(yù)計(jì)在2027年其在新能源市場的占比將有所提高。氮化鎵材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如LED、傳感器、太陽能、功率半導(dǎo)體、通訊組件及先進(jìn)封裝散熱材料。尤其是在功率半導(dǎo)體方面，應(yīng)用包括快充、無線充電、太陽能轉(zhuǎn)換器和馬達(dá)驅(qū)動等。在對氮化鎵和碳化硅的比較中，邱紹諺指出，兩者并無絕對優(yōu)劣，關(guān)鍵在于應(yīng)用范圍：氮化鎵應(yīng)用在650V以下，而碳化硅在650V以上。如果氮化鎵成功應(yīng)用在1200V，將會影響碳化硅的市場份額。

根據(jù)納微半導(dǎo)體副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理查瑩杰的預(yù)測，到2030年之前，歐洲的電動汽車主要將以400V電壓為主，因?yàn)閷τ跉W洲來說，長續(xù)航里程并非其最重要的需求。對于中國市場，由于國土遼闊、充電樁分布廣泛，預(yù)計(jì)到2030年以前，中國將有近一半的車從400V升級到800V。

主要車規(guī)級氮化鎵玩家，來源：集邦咨詢

集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕表示，OEM和Tier1非?？春眠@個(gè)市場，也有很多廠商持續(xù)耕耘于此，有非常多的廠商在持續(xù)做這方面的研發(fā)工作。另外也有一些廠商在致力于開發(fā)用于汽車主逆變器的氮化鎵功率元件，不過氮化鎵的汽車應(yīng)用目前還是處于一個(gè)早期的階段，預(yù)計(jì)到2025年左右，會小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中，再遠(yuǎn)到2023年，OEM會考慮將氮化鎵移入到逆變器。

點(diǎn)評：車規(guī)級氮化鎵普及面臨的挑戰(zhàn)？

盡管氮化鎵的市場潛力巨大，但其在車用市場上的普及仍面臨一些挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)包括可靠性、產(chǎn)品模式、生產(chǎn)模式和設(shè)計(jì)工藝等問題。目前，氮化鎵主要產(chǎn)品為650V器件，如果想滿足更高電壓的應(yīng)用，需要不斷完善其工藝和設(shè)計(jì)。然而，氮化鎵元器件的廣泛應(yīng)用并不會一帆風(fēng)順。由于其高性能，大量使用氮化鎵元器件的設(shè)備必然會面臨體積小、效率高的挑戰(zhàn)。隨著800V電池系統(tǒng)的采用，真正的挑戰(zhàn)在于下一步的方向。至于硅基GaN，盡管廣泛應(yīng)用，但面臨挑戰(zhàn)，制造過程可能產(chǎn)生許多缺陷，造成損壞或過早破裂。

氮化鎵技術(shù)平臺主流的是硅基氮化鎵和藍(lán)寶石氮化鎵，這兩種都是成本較低的商業(yè)化技術(shù)。一開始，外延技術(shù)是核心競爭力，但現(xiàn)在已經(jīng)有許多公司可以授權(quán)使用外延技術(shù)，因此其重要性已經(jīng)降低。目前，氮化鎵領(lǐng)域的技術(shù)壁壘已從外延轉(zhuǎn)移到了縱向GaN，這將是中國廠商未來會面臨的主要挑戰(zhàn)。如今，從器件的開發(fā)、設(shè)計(jì)到封裝，再到整個(gè)系統(tǒng)的制造，這整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈才是真正的競爭關(guān)鍵。