GaN增速開始超越SiC

同為第三代半導(dǎo)體材料，GaN與SiC其實(shí)各有優(yōu)勢，并且正在快速搶占傳統(tǒng)MOSFET與IGBT等器件的市場。據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole數(shù)據(jù)，2022年全球功率器件市場規(guī)模為209億美元，到2028年將有望達(dá)到333億美元。屆時(shí)主導(dǎo)市場的MOSFET與IGBT等器件的市場占比將大幅下降，而GaN與SiC的市場份額有望在2028年達(dá)到31%。

之所以占比迅速提升，是因?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體器件的優(yōu)異性能。比如GaN具有更高的開關(guān)速度，這意味著在相同的條件下，它可以運(yùn)行在更高的頻率下，從而可以使用更小的無源元件（如電感和電容），進(jìn)而減小整體系統(tǒng)的體積和重量。并且在低于1200V的中低壓應(yīng)用中，GaN的開關(guān)損耗至少比SiC少3倍，這使得GaN在這些應(yīng)用中效率更高。而對于SiC而言，在高電壓應(yīng)用中表現(xiàn)更佳，可以承受更高的擊穿電壓，適合于電動汽車、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等高壓大功率應(yīng)用。

同時(shí)可以在更高的溫度下穩(wěn)定工作，這對于一些極端環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要。不過有意思的是，據(jù)The Information Network的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021-2025年期間，GaN的復(fù)合年均增長率達(dá)到53.2%，而SiC為42.5%，意味著GaN的市場增速已經(jīng)高過了SiC。而Yole的報(bào)告也顯示，到2029年，GaN將達(dá)到24億美元，尤其是在汽車與移動領(lǐng)域，GaN正快速增長，相比之下，SiC整體變化不大。

從技術(shù)角度來看，實(shí)現(xiàn) GaN 技術(shù)不斷增長的擴(kuò)散需要克服的主要挑戰(zhàn)是可靠性和價(jià)格。但可靠性目前已經(jīng)基本得到解決，商業(yè)設(shè)備已經(jīng)能夠通過在高于200°C的結(jié)溫下運(yùn)行來保證超過100萬小時(shí)的平均故障時(shí)間。另一個(gè)則是成本的挑戰(zhàn)，但隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步，其制造成本正在下降，尤其是在大尺寸晶圓上的制造能力提升，這有助于降低GaN器件的成本，使其更具競爭力。

并且在大功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，盡管SiC仍然處于技術(shù)領(lǐng)先地位，這是由于SiC通常具有比GaN器件更小的芯片尺寸。但如今SiC的襯底、外延和制造成本都要高于GaN，這就給了GaN更多的機(jī)會。甚至GaN已經(jīng)開始在光儲、家電等SiC強(qiáng)勢領(lǐng)域中嶄露頭角。

眾多企業(yè)推出GaN光儲、家電器件

當(dāng)前電動汽車逆變器領(lǐng)域仍然是SiC的強(qiáng)項(xiàng)，畢竟SiC在電動汽車逆變器中的應(yīng)用能夠帶來顯著的性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，比如具備高效率、高溫穩(wěn)定性、高耐壓能力與高開關(guān)頻率等。但其實(shí)使用GaN能夠擁有更高的開關(guān)速度。有研究數(shù)據(jù)顯示，電動汽車應(yīng)用中采用SiC，比傳統(tǒng)硅基器件優(yōu)化了30%，如果采用GaN，由于其高頻、高效、和雙向轉(zhuǎn)換功能等優(yōu)勢，可為汽車應(yīng)用再帶來額外20%的優(yōu)化，把系統(tǒng)做得更小、更輕、更高效，運(yùn)行起來的溫度更低。

既然能夠用在電動汽車逆變器上，那么光伏微型逆變器自然也不在話下。目前已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)推出了對應(yīng)產(chǎn)品，如昱能科技推出的新一代光儲混合微型逆變器EZHI，采用了GaN設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品能夠支持高達(dá)2400W的持續(xù)快速充電，并且在微網(wǎng)和PPS（Power-Protection-System）場景中應(yīng)用表現(xiàn)出色。并且得益于GaN技術(shù)，EZHI微型逆變器具有更好的性能，包括2倍的快速充電能力，這在戶外移動電源場景中尤其有用。

2023年氮矽科技發(fā)布了國際首款采用TO247-4封裝的集成驅(qū)動GaN器件，并宣布攜手微型逆變器設(shè)計(jì)廠商淶頓科技和生產(chǎn)廠商安科訊合作開發(fā)采用GaN技術(shù)的新一代微型逆變器。資料顯示，這款GaN產(chǎn)品采用TO247-4封裝，內(nèi)置650V耐壓，80mΩ導(dǎo)阻，最大漏源極電流30A的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管，集成驅(qū)動器的開關(guān)速度超10MHz，具有零反向恢復(fù)損耗。不僅微型逆變器領(lǐng)域，在家用領(lǐng)域中使用GaN的產(chǎn)品也開始顯著增多。尤其是GaN功率轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)300kHz的開關(guān)頻率和超過92%的效率，功率密度記可高達(dá)30W/in3，是正在被取代的硅基充電器功率密度的兩倍。

比如近期華碩推出的新款電源供應(yīng)器——ROG THOR III系列，便采用了GaN技術(shù)，從而讓這款電源供應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1600W的公電功率，同時(shí)降低供電損耗；并且GaN技術(shù)的應(yīng)用也有助于簡化電源供應(yīng)器內(nèi)部電路板的設(shè)計(jì)，提升內(nèi)部散熱效率。此外，中科半導(dǎo)體近日也公開表示，中科阿爾法儀表創(chuàng)新產(chǎn)品線團(tuán)隊(duì)首次采用了內(nèi)部集成了GaN PHEMT的先進(jìn)SiP封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了open CPU IOT物聯(lián)網(wǎng)解決方案的商用。

據(jù)介紹，采用GaN后，讓該方案僅為傳統(tǒng)燃?xì)獗碇靼宄叽绲娜�分之一面積，同時(shí)電池能耗得到了大幅改善，成本也得到了極大地優(yōu)化。并且由于GaN本身高電子遷移率特點(diǎn)，通信平均延時(shí)降低了20%。GaN的巨大潛力與商業(yè)價(jià)值也吸引了更多廠商的入局，除了自研GaN方案外，不少大廠選擇以收購的方式進(jìn)入到GaN市場中。在2023年10月，英飛凌收購了GaN Systems公司，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，可以為客戶提供范圍更廣的GaN產(chǎn)品組合、深入的應(yīng)用和系統(tǒng)支持、創(chuàng)新解決方案以及各種創(chuàng)新封裝。

近期，晶圓代工大廠格芯宣布，收購了Tagore Technology專有功率GaN IP產(chǎn)品組合，根據(jù)協(xié)議，一支來自Tagore致力于開發(fā)GaN技術(shù)且經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師團(tuán)隊(duì)將加入格芯，這有助于格芯推動汽車、IoT、AI數(shù)據(jù)中心等廣泛電源應(yīng)用領(lǐng)域的效率與性能發(fā)展。相隔一日，美國一家初創(chuàng)公司Guerrilla RF宣布收購了Gallium Semiconductor的GaN功率放大器和前端模塊產(chǎn)品組合。Guerilla RF表示，這將為無線基礎(chǔ)設(shè)施、軍事和衛(wèi)星通信應(yīng)用開發(fā)新的GaN器件產(chǎn)品線并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。眾多企業(yè)的相繼入局，也證明了對GaN市場的看好。并且隨著越來越多GaN相關(guān)產(chǎn)品的推出，也意味著GaN的優(yōu)秀特點(diǎn)正被市場所接受。
 

當(dāng)前功率半導(dǎo)體領(lǐng)域競爭激烈，但對企業(yè)而言選擇的因素?zé)o非是幾個(gè)。首要為效率與性能，其次在保證性能的同時(shí)還需要降低綜合成本，最后則是要求有產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性。而GaN經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)逐漸滿足上述三點(diǎn)，甚至成為不少企業(yè)的最優(yōu)解，因此也能看到越來越多的企業(yè)開始選擇GaN，并且隨著這股趨勢的形成，勢必將改變當(dāng)下的功率半導(dǎo)體市場格局。