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

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

消費領(lǐng)域放量，邁向更高市場

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、開關(guān)頻率高，以及抗輻射能力強等優(yōu)勢。其中，開關(guān)頻率高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無源器件；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，可以滿足消費者對于電子產(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，還首次在手機端引入氮化鎵功率器件；同樣在7月，iQOO宣稱已在關(guān)鍵元器件電源開關(guān)和PFC兩處使用氮化鎵，iQOO10Pro更是首次商用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廠商對于GaN快充產(chǎn)品的認(rèn)可。 數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)如今消費快充市場已成為絕大多數(shù)氮化鎵功率半導(dǎo)體廠商營收的主要來源。據(jù)市場研究機構(gòu)Yole預(yù)測，在消費類電源市場，氮化鎵的規(guī)模到2027年將超過 9.156 億美元，2021 年至 2027 年期間的復(fù)合年增長率將達(dá)到 52%。

圖源：Yole 與此同時，在相關(guān)技術(shù)演進(jìn)和

終端廠商的聯(lián)合推動下，氮化鎵的應(yīng)用場景也在不斷擴展。不少分析師紛紛指出，除了消費快充，數(shù)據(jù)中心、通訊基站、可再生能源等工業(yè)，甚至汽車市場等都將成為推動下一個功率 GaN 浪潮的驅(qū)動力。

在數(shù)據(jù)中心和通信兩個應(yīng)用領(lǐng)域，GaN的理論優(yōu)勢正在主流設(shè)計中逐漸實現(xiàn)。對于這兩個耗電大戶來說，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，用于數(shù)據(jù)通信/電信的 GaN 市場預(yù)計 2021-2027 年的復(fù)合年增長率為 69%，到 2027 年價值將超過 6.178 億美元。

在可再生能源方面，GaN功率元件的優(yōu)勢也十分明顯。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，其重要的一個轉(zhuǎn)折點就是，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)動或電機控制，可以用于驅(qū)動電機。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，到 2027 年，GaN 汽車市場預(yù)計將超過 2.27 億美元，2021-2027 年的復(fù)合年增長率為 99%。

在終端市場的驅(qū)動下，越來越多的氮化鎵廠商開始將電動汽車市場視為下一個目標(biāo)市場。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汽車研發(fā)中心，與電動汽車制造商合作開發(fā)自己的氮化鎵系統(tǒng)。業(yè)內(nèi)預(yù)計，基于GaN技術(shù)的電動汽車上市時間估計將在2025年前后，汽車領(lǐng)域或?qū)⒊蔀榈壌笠?guī)模采用的主角。

氮化鎵基板，多種選擇

毫無疑問，在各種終端市場的驅(qū)動下，氮化鎵技術(shù)只會越來越火熱，但其發(fā)展也會遇到各種難題，襯底制備就是其中之一，GaN 基板成本高、制造難度大。不過，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 能夠在簡單的空間硬控制模式下以高頻率和高功率水平運行。目前，GaN-on-Si 用于衛(wèi)星、用于自動駕駛汽車的激光雷達(dá)、增強現(xiàn)實系統(tǒng)、機器人技術(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今年年初報道，韓國晶圓代工廠商DB HiTek將生產(chǎn)基于硅基氮化鎵技術(shù)的8英寸半導(dǎo)體，通過提高半導(dǎo)體制造的競爭力來簡化晶片加工以增強盈利能力。

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)過驗證，GaN-on-SiC 器件非常適合基礎(chǔ)設(shè)施、國防和航空應(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 被證明具有最佳的整體價值。 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)主要掌握在國際少數(shù)廠商手上，例如美國Cree、II-VI及ROHM。

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。

其中，GaN on Sapphire算是最為成熟，也最為常見，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，也能降低翹曲破片，更有利于晶圓代工廠實現(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。

全球廠商新動態(tài)不斷

在火熱的市場機會背景下，全球各大廠商都開始爭先布局氮化鎵技術(shù)，今年以來，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)新聞更是接連不斷。 先來看海外廠商。今年1月24日，韓國GaN外延企業(yè)IV Works宣布，收購法國Saint-Gobain的氮化鎵晶圓業(yè)務(wù)，通過此次收購，IV Works可以掌握世界級的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)合開發(fā)協(xié)議，宣布共同開發(fā)1200 V氮化鎵功率半導(dǎo)體材料技術(shù)。

2月，英國氮化鎵材料開發(fā)商Porotech完成2000萬美元融資，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，比利時新 GaN 代工廠BelGaN收購Onsemi 在 Oudenaarde 的晶圓廠，計劃將原有的 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)市場包括汽車、移動、工業(yè)和可再生能源市場。

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 GaN 晶體的方法，來制造高質(zhì)量的 GaN 襯底，成功制造出了 6 英寸的襯底，為目前世界最大的襯底。 3月30日，Odyssey Semiconductor官網(wǎng)宣布，成功開發(fā)700V的垂直 GaN 功率場效應(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

再來看，我國在政府的支持下，GaN 廠商的投資也越來越多 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8000萬顆。

據(jù)了解，英諾賽科正在投資超過 4 億美元，計劃到 2025 年將其 8 英寸晶圓產(chǎn)能從每月 1 萬片擴大到 7 萬片。消費市場。

2月，無錫吳越半導(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)用方案開發(fā)，以及供應(yīng)鏈建設(shè)。

6月，華潤微收購第三代半導(dǎo)體廠商大連芯冠科技有限公司34.5625%股份，入局GaN，同時后者更名為潤新微電子（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)體宣布按配售價每股3.20港元向不少于六名承配人配售3,000萬股新股。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)計年產(chǎn)氮化鎵單晶襯底及外延片 5 萬片。

8月11日，中國臺灣國科會通過了鴻鎵科技中科分公司的投資案。據(jù)悉，鴻鎵科技擬投資2億新臺幣（約4500萬人民幣）設(shè)立鴻鎵科技中科分公司，進(jìn)駐中科臺中園區(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，期待它未來路子越走越寬。

審核編輯：劉清