氮化鎵(GaN)作為第三代半導體材料的一種,在禁帶寬度、飽和電子漂移速度、電子遷移率三項參數上都超越了第一代和第二代半導體材料。

對GaN薄膜材料的研究可追溯到上世紀60年代,但直到90年代GaN外延生長和摻雜技術才取得了重大突破。21世紀后,科技的高速發展和不斷涌現的新需求有力推動著GaN半導體材料朝著高頻、高功率、低能耗、超快響應、超高容量、微型化等方向發展。

01 2020年全球GaN射頻器件市場規模超8億美元

與碳化硅(SiC)相比,GaN具有更高的電子遷移率,開關速度快,因此在高頻應用領域優勢顯著,在微波射頻、IDC等領域潛力巨大。GaN微波射頻器件/模塊通常包括GaN功率放大器(PA)、GaN低噪聲放大器(LNA)、GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)以及GaN MMIC放大器等。

據Yole統計,2020年全球GaN射頻器件市場達8.3億美元,到2025年將增長至20億美元以上,年均復合增長率(CAGR)為12%。國防軍工和5G應用是GaN射頻市場的兩大強勁牽引力,除此之外,GaN射頻在無線寬帶、射頻能量、商業雷達等市場也表現不凡。

GaN射頻器件的不同技術路線

GaN器件制造主要有藍寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN和GaN基GaN四種工藝。

藍寶石襯底作為第一代技術路線,生產技術成熟、穩定性較好,但由于襯底尺寸小、晶格失配、熱應力適配等缺陷,無法支撐新興的GaN器件市場需求。

在射頻領域,因SiC基GaN較好的解決了散熱、效率和尺寸等問題,是目前主流的技術路線。國際上4英寸和6英寸產線并存,4英寸代表制造商有日本住友和臺灣穩懋,產品覆蓋了 6GHz 以內的各頻段,輸出功率 40-400W。6英寸產能相對集中,主要為美國企業,包括Cree/Wolfspped、NXP和Qorvo。

Si襯底尺寸大、價格低,可面向更大的應用市場,且Si本身作為第一代半導體材料發展最為成熟,因此Si 基 GaN 射頻器件也逐漸得到了學術界和產業界的關注,但仍然是一個較小眾的市場。Macom公司的Si基GaN器件憑借其顯著的成本優勢和可靠性能,正在搶奪傳統LDMOS和SiC基GaN的市場。四川益豐收購的OMMIC(前身是飛利浦在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料的研究部門),掌握6英寸Si基GaN工藝。據悉,英諾賽科正在研發 8 英寸 Si 基 GaN 射頻器件工藝。

我國GaN射頻器件發展概況

我國第三代半導體產業技術創新戰略聯盟(CASA)統計數據顯示,2020年我國GaN微波射頻器件市場規模約66.1 億元,同比增長 57.2%。其中,國防與航天是最大的下游應用市場,2020年應用規模達34.8億元,占國內GaN射頻器件市場的53%,且預計將保持25.4%的CAGR繼續擴張。

隨著全國5G基站建設的加速,有望拉動國內GaN射頻器件市場成倍增長,預計釋放超千億元的GaN PA新需求。未來三到五年GaN射頻器件在5G基站的滲透率預計達到70%。

02 GaN在消費電子市場大放異彩

GaN電力電子器件的導通電阻低至傳統器件的近千分之一,開關速度是后者的幾十倍,可以有效降低近90%的電源損耗,且GaN電力電子器件身材纖細,這些特點完美契合了消費電子電源產品近年來追求小型化和高效率的趨勢。

自2018年以來,GaN材料在快充領域得到快速商業化,最先突圍的是手機充電器。據不完全統計,截至2020年底全球已有60余家GaN快充產品制造商,已推出超100款GaN PD產品,充電功率集中在30-100W區間,無論是企業數量還是產品數量都較2019年增長迅猛。隨著工作功率不斷提高,尤其是100W以上,GaN材料將會更具主導優勢。

2020年2月13日,小米正式發布了65W GaN充電器,售價149元。小米首席執行官雷軍介紹,該款充電器具有小巧、高效、發熱低等特點,僅需45分鐘即可將一塊 4500mAH的超大電池充滿電。2020年OPPO、華為、魅族等國產手機廠商也相繼推出了GaN快充產品。

從手機出發,GaN快充技術正在逐步滲透筆記本電腦、顯示器、白家電、其他3C等市場。戴爾、聯想、LG等筆記本電腦品牌紛紛入場GaN快充,推出了GaN大功率電源適配器。而受到下游需求刺激,Navitas、PI、英飛凌、Transphorm以及國內半導體廠商英諾賽科、氮矽科技、能華微等都陸續推出了適用于PD 快充的 GaN芯片。GaN消費類電源的未來市場空間無可限量,預計在接下的幾年將迎來發展巔峰。

03 新能源汽車:未來不同半導體材料博弈的新戰場

新能源汽車市場為電力電子器件提供了重要的驅動力,同時也對半導體材料和器件提出了新的需求。目前,Si基IGBT和SiC基MOSFET 這兩個主流技術正在搶奪新能源汽車功率半導體這一塊大蛋糕,而Si基GaN器件也在發力滲透,未來也是不容忽視的有力競爭者。

相較Si基IGBT,SiC基MOSFET擁有耐高壓、更高的開關速度和低損耗等優異性能,并且在同樣功率下,SiC模塊通常具備更小的封裝尺寸,有助于實現實現車載逆變器的輕量化與節能化。全球范圍內,特斯是行業內第一個使用SiC技術的的車企,Model 3上采用了Infineon(英飛凌)和ST(意法半導體)的SiC逆變器,集成全SiC功率模塊。

國內汽車廠商中,比亞迪自主研發的SiC MOSFET已開始上車使用,今年6月蔚來首臺SiC電驅系統C樣件下線。

從技術層面上看,GaN功率器件可承受電壓不及SiC功率器件,在48V混合動力汽車上優勢更明顯,也更適合小功率DC-DC/AC-DC轉換器。此外,GaN功率器件也有望在車載充電器(OBC)得到更廣泛應用。如果系統成本達到平衡,GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。

需要承認的是,盡管第三代半導體技術在新能源汽車領域潛力無窮,但汽車所需器件的認證周期長,通常要求很高的器件可靠性和穩定性,在現實中SiC和GaN技術的應用并不樂觀,仍處于非常初期的階段。

Si基IGBT產業鏈成熟,經過多次迭代,器件穩定性高,材料成本優勢顯著,因此預計在未來Si基IGBT和SiC MOSFET仍將長期并存,而GaN技術應用在新能源汽車領域想要取得實質性突破還需很長一段時間。

(關鍵字：半導體)