氮化鎵 (GaN) 功率半導體正持續為那些需要消耗大量能源，但同時長遠地影響全球經濟發展的產業帶來顯著地改變。在數據中心、車用及消費電子等應用市場，GaN功率器件已開始取代既有使用硅的設計方案，重新定義電源系統最佳設計，為市場帶來更小、更輕、更具能源效率的產品。從提升電動車續航里程，到優化數據中心能源使用效率，及縮短消費電子產品充電時間等，這些功能面的優化，皆加速擴大 GaN 功率半導體應用范圍至微型交通、光伏發電、電動工具、音響系統等新興應用領域。

加速全球微型交通發展態勢

英國研究公司The Faraday Institute指出，全球都市人口密度將于2050年前再提高50%，屆時全球將有67億人口全數集中于都市地區。因此，以電動自行車及電動滑板為大宗的微型交通工具，在人口密度持續成長的都市地區逐漸受到重視，被視為能減輕交通壅塞、停車不易等都市交通問題的解決方案，并在油價持續高攀的時代，提供更經濟且永續的交通方式。全球微型交通市場規模預計將于2028年突破693億美元。

能效、功率密度、輕巧簡約外觀設計及成本效益為設計開發電動微型交通工具的考慮重點，基于GaN設計的馬達控制驅動器能使整體能效及充電效能提升一個檔次。以電動自行車來說，GaN功率器件能使馬達控制器尺寸更小、重量更輕，提高能源轉換效率并減少能耗損，進而實現更簡約輕量的外觀設計并延長續航里程，應用于電池充電器上，也能減少充電時間。

市場上已有不少公司正透過基于高性能、高頻率的GaN功率晶體管所設計的馬達驅動器、控制器與逆變器，為電動機車、電動自行車、電動滑板車等個人電動交通載具提供創新動力總成 (powertrain) 解決方案，優化整體馬達輸出功率及效率，透過整合高質量、高可靠的GaN功率晶體管與先進軟硬件技術，微型交通工具的續航里程最高可延長百分之三十。

當社會、經濟、環境三大面向同步推升微型電動交通工具的需求力道，GaN功率半導體將扮演實現永續且具經濟效益的未來交通的關鍵角色。


汽車正成為氮化鎵大規模采用的主角

電力電子一直是受成本控制的市場，因此，當寬帶隙產品以高價進入市場時，接受度自然很低。正是一些超前型應用的采用化解了寬帶隙產品的尷尬。GaN 和 SiC 現在已經發展到第四代、第五代，有些地區的價格已經與硅相差無幾，采用率正在逐步提升。

他相信，只有擁有合理的成本，并不斷制定持續降低成本的路線圖，同時還擁有一個成熟的完整供應鏈，確保客戶在與硅產品相同的訂單上獲得穩定供應和可靠性，才會讓寬帶隙產品成為市場的真正贏家。

十年來，整個行業都存在高成本、有限的產量和受限的供應鏈問題。“不管技術如何，所有客戶都很關心成本和供應鏈。在這方面寬帶隙與硅很相似。不過，SiC 和 GaN 的發展也存在差異。”Larry Spaziani 說。

他解釋說，硅是在硅錠中生長的，然后被切成薄片，也就是晶圓；而碳化硅是塊狀生長的，在質量和數量上都很難保證。所以，業界最擔心的是，一旦電動汽車市場啟動，碳化硅的大批量供貨可能出現問題。

即使 Cree 等一些頭部企業加大了投資來擴大碳化硅產能，但供應量仍然有限。相比之下，商用和車用氮化鎵是在普通硅片上開發的，大多采用標準 CMOS 工藝。氮化鎵的產量只受限于外延反應室，在 3 至 4 個季度的交貨期內，可以擴大到任何規模。因此，氮化鎵沒有任何供應鏈受限的擔憂。

碳化硅和氮化鎵的供應商都有自己的專有技術，通常沒有多個貨源。因此，客戶正在系統級謀求各種貨源，如使用多家供應商的器件來開發一個產品，使兩個供應商的芯片都可以勝任應用。一些供應商也已經簽訂了多源協議，以消除客戶的后顧之憂。

新能源、數據中心是GaN主要市場驅動力

GaN目前與消費電子、5G基站、新能源領域有比較深度的融合。

在消費電子領域，GaN快充電源市場接受度高，相比硅基功率器件的充電器更小更輕；GaN在消費電子領域正在改變的另一個產品是MicroLED，GaN具有較好的光學和電氣性能，可實現高亮度水平和寬色域。

5G基站也是GaN的應用領域，主要產品為GaN功率放大器和微波射頻器件。GaN材料在耐高溫、耐高壓及承受大電流方面具備優勢，與傳統通信芯片相比，具備更優秀的功率效率、功率密度和寬頻信號處理能力。一個5G基站往往使用多個GaN，同時5G基站的投資建設仍在持續，工信部的數據顯示，2022年我國新建5G基站88.7萬個，2023年將新建5G基站60萬個。

新能源和數據中心是GaN市場增長的驅動力。新能源領域，汽車電動化推動GaN功率器件商業化，這些產品提供更高的擊穿電壓、更高的電子移動性，并且需要更少的熱管理，傳統的汽車功率器件采用的是硅基功率MOSFET或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。此外，GaN太陽能電池被認為是未來光伏領域的重要技術之一。在風電領域，GaN可以用于制造功率變流器和逆變器。

數據中心需要大量電力供應和高效能源管理，GaN功率器件可以提供更高效的電力轉換和更小尺寸的設備，降低能源消耗、減少空間占用，此外，GaN用于數據中心的高速通信模塊，提供更快速、穩定和可靠的數據傳輸。


兩大技術路線對比

由于GaN場效應晶體管（FET）支持更快的開關速度和更高的工作頻率，有助于改善信號控制，為無源濾波器設計提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而幫助縮小電感、電容和變壓器的體積。從而構建體積更小的緊湊型系統解決方案，最終實現成本的節約。

下圖是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結構剖面圖，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層的界面處存在自發極化和壓電極化，形成二維電子氣(2DEG)。Epi通過種晶層在硅襯底上形成。先生長GaN和AlGaN的漸變層，然后生長純GaN層。最后一層很薄的AlGaN形成2DEG。2DEG的電子遷移率非常高，因此得名。

當前的功率GaN FET有兩個主流方向：增強型（E-Mode，單芯片常關器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關器件）。目前E-Mode柵極有穩定性和漏電流的問題，而驅動雙芯片常關（或者說共源共柵配置）的D-Mode器件則更簡單并穩健。所以，對于可高達1 MHz開關頻率的操作，共源共柵GaN FET最為適合。

氮化鎵功率器件分為增強型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種，增強型是常關的器件，耗盡型是常開的器件。

目前，就主要玩家而言，松下、英飛凌、GaN Systems、EPC、GaN Power、英諾賽科、Navitas，以及成都氮矽等采用的是E-Mode設計；Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來、以及大連芯冠等采用的是D-Mode設計。

珠海鯨芯創業投資管理有限公司投資總監熊清子女士曾在一次分享中指出，Navitas、英諾賽科、英飛凌雖然都采用了E-Mode的設計，但也有所不同，比如它們的氮化鎵管跟驅動匹配的方式就不太一樣，Navitas采用的是單片集成HEMT和驅動。驅動單片集成的優勢在于開關速度高，使器件的高頻性能得到充分發揮，但由于在氮化鎵上制作驅動，無法兼顧復雜的方案，缺少測電流、測溫等功能，同時可靠性相比于硅基驅動也會降低許多。

而英飛凌合封HEMT和驅動、分立外掛驅動兩種方案都有。其GaN開關管采用專用驅動IC------GaN EiceDRIVE。單片集成方案，英飛凌內如也有研發，但并未面世。

英諾賽科大部分的出貨產品并沒有搭配專門的驅動IC保證開通與關斷（既無外掛專門的驅動，也沒有將驅動與功率管進行合封），而是通過控制器直接進行驅動，或者在氮化鎵功率管外直接搭建簡單的電路進行驅動，這使得其產品的功率密度相比于PI、Navitas差了2倍以上，犧牲了可靠性和效率。

PI采用的是D-Mode內的級聯設計，并使用了藍寶石基襯底，成本較高。另外，因為級聯設計是在硅管和氮化鎵開關管之間做級聯，可靠性和匹配上存在挑戰，需要器件在性能上做一定的妥協，因此在消費電子領域，級聯設計不具有成本和性能的比較優勢，但是在柵極的可靠性上，D-Mode級聯設計要由于E-Mode設計。PI采取的是功率管和驅動合封的方式，搭配PI研發生產的專用驅動IC。好處是，其驅動跟現有的硅基驅動是一樣的，產業鏈非常的成熟，整體設計也更簡單一些。

對于未來發展模式，就目前來看，硅基氮化鎵的成本更低，技術成熟度也高，未來幾年擴產的產能平臺應該會以硅基氮化鎵平臺為主。另外，很多氮化鎵的新玩家主要針對的市場是快充市場，他們主要采用E-Mode設計的硅基氮化鎵為主。當然，這兩種技術路線并沒有誰最好之說，有的只是性能、成本，以及應用領域等多方面綜合考量后，做出權衡取舍后的結果。