氮化鎵勢不可擋

近日，三星電子在韓國舉辦的 2023 年三星晶圓代工論壇上宣布，將于 2025 年啟動面向消費電子、數據中心和汽車應用的 8 英寸氮化鎵（GaN）功率半導體代工服務。

氮化鎵作為寬禁帶半導體的 " 門面 " 之一，近期隨著技術的不斷升級，性能被進一步開發，開始強勢 " 破圈 "，不再局限于快充等消費電子市場，而是向新能源汽車、數據中心、可再生能源等高速發展的熱門領域持續推進。數據顯示，2022 年全球氮化鎵功率器件市場規模為 1.8 億美元，到 2026 年將有望達 13.3 億美元，年均復合增長率達 65%。

(資料圖片)

來源：英飛凌

" 上車 " 競爭力不斷提升

氮化鎵作為寬禁帶半導體的中流砥柱，具備高頻率、低損耗、抗輻射性強等優勢，可以滿足各種應用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。近幾年，隨著各大科研院所和領軍企業的不斷研究，氮化鎵技術在成本、良率和穩定性上，都實現了優化和改善。

特別是在車用功率器件領域，氮化鎵功率器件的市場份額一直保持穩定增長。數據顯示，到 2027 年，氮化鎵功率器件的市場規模有望達到 20 億美元，而在 2021 年僅為 1.26 億美元，電動汽車將成為氮化鎵功率器件的下一個增長點，市場規模將超過 2.27 億美元，年復合增長率將高達 99%。

數據來源：Yole

因此，氮化鎵也越來越受到汽車芯片大廠的青睞。近期，三星電子宣布，為了滿足汽車領域對功率半導體的需求，將進軍氮化鎵市場，計劃在 2025 年，為汽車應用、消費級和數據中心等領域提供 8 英寸氮化鎵晶圓代工服務；英飛凌宣布，以 8.3 億美元收購氮化鎵功率半導體制造商 GaN Systems，意在加強其氮化鎵產品組合，加速氮化鎵技術路線圖；德州儀器表示，將擴大在日本福島縣會津工廠的氮化鎵晶圓產能。

隨著氮化鎵 " 上車 " 的速率不斷加快，競爭力不斷提升，在部分電壓等級相對硅和碳化硅更具優勢。

英諾賽科產品部高級副總裁孫毅表示，在 650V 電壓等級，氮化鎵相對于碳化硅具備更好的高頻特性，可以大幅提高終端產品的功率密度。目前主流的氮化鎵是硅基氮化鎵，整體相對碳化硅來講，成本的優勢比較大，所以在 650V 這個等級來看氮化鎵相對于碳化硅在性能和成本都具備比較大的優勢。

安世半導體副總裁 Carlos Castro 表示：" 氮化鎵擁有更高的效率、更高的功率密度和更低的系統成本。與硅解決方案相比，碳化硅車載充電器將成本降低了約 13%，而氮化鎵則將系統成本降低了 24%，而且可以大幅縮短新能源汽車的充電時間，以及減少電源轉換系統體積等。"

數據中心節能減排的必備神器

在當下這個 AI 爆火的時代，需要部署大量的數據中心進行數據的存儲和運算，整體的耗電量非常巨大。按照當前的數據中心用電量估算，到 2030 年，全球數據中心消耗的電能將達到 3000TWH，占全球用電量的 10%。有數據顯示，全球數據中心的整體供電效率每提升 1%，將為全球節省 4 座 1GWH 的核電站。

數據來源：Yole

如果在數據中心的服務器電源的 PFC 和高壓 DC/DC 部分，用氮化鎵 MOSFET 替代硅 MOSFET，節省的電量可達到 15T 瓦以上，其價值可達到十幾億美元，并且有助于數據中心提升效率、降低成本、大幅降低電費，達到碳中和、碳達峰的要求。

孫毅表示，AI 芯片的算力提升，也離不開其供電功率密度和動態響應的提升，氮化鎵可以發揮其高頻特性的優勢，提升芯片供電模塊的工作頻率，從而提升供電的功率密度和動態響應。英諾賽科目前提出了 AI 服務器全鏈路氮化鎵的解決方案，從交流電源，到總線電源模塊，直到 CPU/GPU 供電都采用氮化鎵方案，可以整體提升功率轉換效率達到 5% 以上。基于氮化鎵的數據中心供電解決方案，可以大幅減小其供電系統的能耗，達到節能減排的效果。

氮化鎵在數據中心中的滲透率會持續增加，越來越多的電源供應商已經在其系統中使用了氮化鎵。德州儀器、英飛凌、羅姆等氮化鎵龍頭企業都宣布了最新進展。

快充領域的 " 明星技術 "

氮化鎵真正稱王還是在快充和射頻領域。因為其擁有高飽和電子漂移速率、高臨界擊穿電場等優越的電學性質，所以，采用氮化鎵功率芯片的充電器具有高開關速度、充電效率高、散熱快、體積小巧等明顯優勢，被廣泛應用在手機、筆記本電腦等個人移動充電設備中。如今，氮化鎵已經成功導入手機內部電源管理。

數據顯示，氮化鎵的應用加速了快充充電器的市場發展，2022 年的快充滲透率提升至 24％，全球市場規模達到 27.43 億美元。預計到 2026 年，國內氮化鎵充電器市場規模將上升至 50 億元。小米、華為、努比亞等手機廠商開始入局氮化鎵充電器市場，氮化鎵充電器市場已經進入百花齊放的時代。

" 目前，氮化鎵技術已經成為消費電子充電領域的‘明星’。" 孫毅表示。

數據來源：Yole

在射頻領域，Yole 的數據顯示，氮化鎵射頻器件市場規模將從 2020 年的 8.91 億美元增長到 2026 年 24 億美元，復合年均增長率為 18%，其中電信基礎設施是氮化鎵射頻器件的主要驅動力。并且除了中國，日本、韓國、美國等國家和地區也在積極布局 5G 和 6G，氮化鎵射頻市場亟待爆發。

"5G 通信將成為氮化鎵射頻器件未來主要市場應用領域。" 合肥芯谷微電子有限公司副總經理黃軍恒表示，GaN-on-SiC 技術是氮化鎵射頻器件當前采用的主要技術，部分采用 GaN-on-Si 技術。半絕緣型碳化硅襯底適用于做射頻氮化鎵器件，氮化鎵射頻應用的碳化硅基氮化鎵外延片 4 英寸和 6 英寸并存，海外 6 英寸代表企業有 Wolfspeed、Qorvo、NXP，4 英寸代表企業為住友電工。

當然，氮化鎵的應用領域不止這些，在 LED 驅動、汽車的激光雷達、電池化成、光伏逆變器與儲能等領域都得到廣泛的應用，未來，氮化鎵還會有更多的應用方向被發掘，讓我們拭目以待。