氮化鎵功率器件在C端揚名，始于手機(jī)充電器——2019年10月，OPPO正式發(fā)布OPPO Reno Ace。這是氮化鎵首次應(yīng)用于手機(jī)原裝快充充電器，而OPPO也成為全球首家在手機(jī)充電器中導(dǎo)入氮化鎵技術(shù)的廠商。
經(jīng)過短短幾年時間的發(fā)展，基于氮化鎵材料而研制的功率器件，憑借更高的電流密度、遷移率以及優(yōu)秀的耐熱性、導(dǎo)電性和散熱性不斷開疆拓土，目前已成為諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，頗具競爭力的技術(shù)。
氮化鎵的大市場
氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料包括氮化鎵襯底及氮化鎵外延片，中游為氮化鎵器件制造商。在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關(guān)鍵作用，因此襯底的選擇也影響了器件的最終應(yīng)用領(lǐng)域。
就當(dāng)下的技術(shù)發(fā)展水平而言，GaN功率元件市場的發(fā)展主要由消費電子所驅(qū)動，關(guān)鍵應(yīng)用為快速充電器。據(jù)了解，氮化鎵充電器具有高效快速、安全可靠、方便攜帶、兼容性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等多種優(yōu)勢，目前已有安克、倍思、綠聯(lián)等配件廠商，華為、小米、OPPO、VIVO、蘋果等手機(jī)廠商入局。其他消費電子場景還包括D類音頻、無線充電等。
此外，氮化鎵具有出色的高速開關(guān)特性，因而在基站和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中，氮化鎵器件由于可以降低各種開關(guān)電源的功耗并實現(xiàn)小型化而被寄予厚望。
而在未來，隨著氮化鎵耐壓能力的進(jìn)一步提升，在可承受1200V超高電壓而又具備更高性價比時，GaN在新能源市場的應(yīng)用優(yōu)勢也將得到凸顯。目前，豐田、寶馬等車企以及氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已開始將氮化鎵用于汽車的各個部分，特別是在車載充電器和高壓直流轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵部位。
而氮化鎵對新能源汽車性能的提升也十分顯著。數(shù)據(jù)顯示，將氮化鎵器件應(yīng)用于新能源汽車的車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域時，可在節(jié)能70%的同時使充電效率達(dá)到98%，增加5%續(xù)航。
TrendForce集邦咨詢預(yù)計，至2025年左右，氮化鎵將小批量地滲透到低功率OBC和DC-DC中。再遠(yuǎn)到2030年，OEM或考慮將該技術(shù)移入到牽引逆變器。在此背景下，全球各大半導(dǎo)體廠商紛紛加速布局，擴(kuò)產(chǎn)、并購、新品、合作的消息不斷傳來。
比如在2023年，就有IQE與VisIC聯(lián)手開發(fā)用于電動汽車逆變器的8英寸氮化鎵D-MODE功率產(chǎn)品；安世博能源科技與 GaN Systems聯(lián)手加速并擴(kuò)大GaN 在電動車的應(yīng)用等合作案例。新品方面，英諾賽科在2023年12月推出了100V車規(guī)級氮化鎵器件INN100W135A-Q。
從消費電子到新能源汽車，GaN的應(yīng)用場景豐富，市場成長空間巨大。根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2023全球GaN功率半導(dǎo)體市場分析報告》顯示，全球GaN功率元件市場規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長到2026年的13.3億美金，復(fù)合增長率高達(dá)65%。
幕后推手：氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈日益完善
目前，氮化鎵的主要創(chuàng)新主體仍以國際企業(yè)為主，并主要集中在日本及美國。
而中國氮化鎵企業(yè)在氮化鎵射頻器件、功率器件、顯示器件等領(lǐng)域競相發(fā)展，競爭格局日益激烈，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善。
但國際企業(yè)目前在產(chǎn)能及技術(shù)上仍保持著領(lǐng)先地位。
襯底環(huán)節(jié)主要由日本住友化學(xué)、三菱化學(xué)、住友電工主導(dǎo)。其中，住友電工于2003年在世界上率先實現(xiàn)氮化鎵襯底的量產(chǎn)，目前產(chǎn)品以2-3英寸為主，4英寸已經(jīng)實現(xiàn)商用，6英寸樣本也已開發(fā)。
三菱化學(xué)在2021年宣布采用低壓酸性氨熱法開發(fā)出4英寸GaN單晶襯底，且晶體缺陷僅為普通GaN襯底的1/100-1/1000。2022年，4英寸GaN單晶襯底正式推出。
國內(nèi)代表廠商包括蘇州納維科技、東莞中鎵半導(dǎo)體、鎵特半導(dǎo)體等。目前，納維科技、中鎵半導(dǎo)體已實現(xiàn)2英寸GaN單晶襯底的量產(chǎn)，而4英寸氮化鎵則仍處于研發(fā)及試生產(chǎn)階段。
外延部分主流供應(yīng)商包括 NTT-AT、Soitec、IQE、ALLos等。其中，Soitec可提供4、6英寸氮化鎵外延晶圓，且目前已實現(xiàn)8英寸硅基氮化鎵晶圓量產(chǎn)；ALLos聚焦于Micro LED顯示屏市場，在2020年7月宣布與KAUST達(dá)成合作，共同研發(fā)高效硅基InGaN紅色Micro LED。
國內(nèi)代表廠商則包括三安光電、晶湛半導(dǎo)體、賽微電子、江蘇能華等。其中晶湛半導(dǎo)體擁有國際先進(jìn)的氮化鎵外延材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地，現(xiàn)已實現(xiàn)12英寸硅基氮化鎵外延產(chǎn)品的量產(chǎn)及供應(yīng)。
器件方面，廠商可按經(jīng)營模式分為設(shè)計制造一體（IDM模式）、設(shè)計（Fabless模式）和代工廠（Foundry模式）。IDM模式的企業(yè)能夠充分發(fā)掘技術(shù)潛力，其國際代表企業(yè)有Wolfspeed、德州儀器、英飛凌，國內(nèi)則有三安光電、英諾賽科、潤新微、蘇州能訊、江蘇能華、賽微電子等。
其中，Wolfspeed于2019年開始逐步剝離LED業(yè)務(wù)，專注于碳化硅電力電子器件和氮化鎵射頻器件，今年Wolfspeed再次宣布將氮化鎵射頻業(yè)務(wù)出售給MACOM；納微半導(dǎo)體在2021年11月推出全球首款智能GaNFast?功率芯片，到2023年12月其氮化鎵功率芯片發(fā)貨量已經(jīng)超過1.25億顆。
國內(nèi)企業(yè)中，三安光電氮化鎵射頻大功率單頻產(chǎn)品已于2022年6月順利起量。同時，湖南三安擁有硅基氮化鎵代工平臺，650V芯片代工平臺已廣泛導(dǎo)入消費電子領(lǐng)域；高壓部分，湖南三安已完成900V器件的開發(fā)，并已導(dǎo)入到客戶產(chǎn)品設(shè)計及系統(tǒng)驗證。在2023年半年報中，三安光電還指出，硅基氮化鎵的產(chǎn)能為2,000片/月。
英諾賽科擁有8英寸硅基氮化鎵研發(fā)和制造平臺，氮化鎵產(chǎn)品覆蓋高、中、低壓全系列，并在消費類、汽車激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)中心、新能源與儲能領(lǐng)域的多個應(yīng)用中大批量交付。截至2023年8月，英諾賽科氮化鎵芯片出貨量成功突破3億顆。
結(jié)語
氮化鎵的市場潛力巨大，其廣泛應(yīng)用卻不會一帆風(fēng)順，比如氮化鎵器件的一致性和可靠性就是其應(yīng)用道路上的一大“攔路虎”，且氮化鎵成本較高、產(chǎn)能較低，也限制了這一材料和技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
值得慶幸的是，我國第三代半導(dǎo)體已具備了全創(chuàng)新鏈的研發(fā)能力，初步形成了從材料、器件到應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。從消費電子到新能源汽車，在氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈這場裝備賽中，國產(chǎn)廠商正在加速布局，潛力巨大。（文：集邦化合物半導(dǎo)體 Winter）
更多SiC和GaN的市場資訊，請關(guān)注微信公眾賬號：集邦化合物半導(dǎo)體。