氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體正持續(xù)為那些需要消耗大量能源，但同時(shí)長遠(yuǎn)地影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)帶來顯著地改變。在數(shù)據(jù)中心、車用及消費(fèi)電子等應(yīng)用市場，GaN功率器件已開始取代既有使用硅的設(shè)計(jì)方案，重新定義電源系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)，為市場帶來更小、更輕、更具能源效率的產(chǎn)品。從提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程，到優(yōu)化數(shù)據(jù)中心能源使用效率，及縮短消費(fèi)電子產(chǎn)品充電時(shí)間等，這些功能面的優(yōu)化，皆加速擴(kuò)大 GaN 功率半導(dǎo)體應(yīng)用范圍至微型交通、光伏發(fā)電、電動(dòng)工具、音響系統(tǒng)等新興應(yīng)用領(lǐng)域。

加速全球微型交通發(fā)展態(tài)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(shí)全球?qū)⒂?7億人口全數(shù)集中于都市地區(qū)。因此，以電動(dòng)自行車及電動(dòng)滑板為大宗的微型交通工具，在人口密度持續(xù)成長的都市地區(qū)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(jià)持續(xù)高攀的時(shí)代，提供更經(jīng)濟(jì)且永續(xù)的交通方式。全球微型交通市場規(guī)模預(yù)計(jì)將于2028年突破693億美元。

能效、功率密度、輕巧簡約外觀設(shè)計(jì)及成本效益為設(shè)計(jì)開發(fā)電動(dòng)微型交通工具的考慮重點(diǎn)，基于GaN設(shè)計(jì)的馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)器能使整體能效及充電效能提升一個(gè)檔次。以電動(dòng)自行車來說，GaN功率器件能使馬達(dá)控制器尺寸更小、重量更輕，提高能源轉(zhuǎn)換效率并減少能耗損，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更簡約輕量的外觀設(shè)計(jì)并延長續(xù)航里程，應(yīng)用于電池充電器上，也能減少充電時(shí)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(shè)計(jì)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、控制器與逆變器，為電動(dòng)機(jī)車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車等個(gè)人電動(dòng)交通載具提供創(chuàng)新動(dòng)力總成 (powertrain) 解決方案，優(yōu)化整體馬達(dá)輸出功率及效率，透過整合高質(zhì)量、高可靠的GaN功率晶體管與先進(jìn)軟硬件技術(shù)，微型交通工具的續(xù)航里程最高可延長百分之三十。

當(dāng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三大面向同步推升微型電動(dòng)交通工具的需求力道，GaN功率半導(dǎo)體將扮演實(shí)現(xiàn)永續(xù)且具經(jīng)濟(jì)效益的未來交通的關(guān)鍵角色。


汽車正成為氮化鎵大規(guī)模采用的主角

電力電子一直是受成本控制的市場，因此，當(dāng)寬帶隙產(chǎn)品以高價(jià)進(jìn)入市場時(shí)，接受度自然很低。正是一些超前型應(yīng)用的采用化解了寬帶隙產(chǎn)品的尷尬。GaN 和 SiC 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第四代、第五代，有些地區(qū)的價(jià)格已經(jīng)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(xù)降低成本的路線圖，同時(shí)還擁有一個(gè)成熟的完整供應(yīng)鏈，確保客戶在與硅產(chǎn)品相同的訂單上獲得穩(wěn)定供應(yīng)和可靠性，才會(huì)讓寬帶隙產(chǎn)品成為市場的真正贏家。

十年來，整個(gè)行業(yè)都存在高成本、有限的產(chǎn)量和受限的供應(yīng)鏈問題。“不管技術(shù)如何，所有客戶都很關(guān)心成本和供應(yīng)鏈。在這方面寬帶隙與硅很相似。不過，SiC 和 GaN 的發(fā)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(zhì)量和數(shù)量上都很難保證。所以，業(yè)界最擔(dān)心的是，一旦電動(dòng)汽車市場啟動(dòng)，碳化硅的大批量供貨可能出現(xiàn)問題。

即使 Cree 等一些頭部企業(yè)加大了投資來擴(kuò)大碳化硅產(chǎn)能，但供應(yīng)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(fā)的，大多采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝。氮化鎵的產(chǎn)量只受限于外延反應(yīng)室，在 3 至 4 個(gè)季度的交貨期內(nèi)，可以擴(kuò)大到任何規(guī)模。因此，氮化鎵沒有任何供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜膿?dān)憂。

碳化硅和氮化鎵的供應(yīng)商都有自己的專有技術(shù)，通常沒有多個(gè)貨源。因此，客戶正在系統(tǒng)級謀求各種貨源，如使用多家供應(yīng)商的器件來開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品，使兩個(gè)供應(yīng)商的芯片都可以勝任應(yīng)用。一些供應(yīng)商也已經(jīng)簽訂了多源協(xié)議，以消除客戶的后顧之憂。

新能源、數(shù)據(jù)中心是GaN主要市場驅(qū)動(dòng)力

GaN目前與消費(fèi)電子、5G基站、新能源領(lǐng)域有比較深度的融合。

在消費(fèi)電子領(lǐng)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(fèi)電子領(lǐng)域正在改變的另一個(gè)產(chǎn)品是MicroLED，GaN具有較好的光學(xué)和電氣性能，可實(shí)現(xiàn)高亮度水平和寬色域。

5G基站也是GaN的應(yīng)用領(lǐng)域，主要產(chǎn)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(yōu)勢，與傳統(tǒng)通信芯片相比，具備更優(yōu)秀的功率效率、功率密度和寬頻信號處理能力。一個(gè)5G基站往往使用多個(gè)GaN，同時(shí)5G基站的投資建設(shè)仍在持續(xù)，工信部的數(shù)據(jù)顯示，2022年我國新建5G基站88.7萬個(gè)，2023年將新建5G基站60萬個(gè)。

新能源和數(shù)據(jù)中心是GaN市場增長的驅(qū)動(dòng)力。新能源領(lǐng)域，汽車電動(dòng)化推動(dòng)GaN功率器件商業(yè)化，這些產(chǎn)品提供更高的擊穿電壓、更高的電子移動(dòng)性，并且需要更少的熱管理，傳統(tǒng)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(rèn)為是未來光伏領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。在風(fēng)電領(lǐng)域，GaN可以用于制造功率變流器和逆變器。

數(shù)據(jù)中心需要大量電力供應(yīng)和高效能源管理，GaN功率器件可以提供更高效的電力轉(zhuǎn)換和更小尺寸的設(shè)備，降低能源消耗、減少空間占用，此外，GaN用于數(shù)據(jù)中心的高速通信模塊，提供更快速、穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。


兩大技術(shù)路線對比

由于GaN場效應(yīng)晶體管（FET）支持更快的開關(guān)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(shè)計(jì)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(gòu)建體積更小的緊湊型系統(tǒng)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約。

下圖是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結(jié)構(gòu)剖面圖，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層的界面處存在自發(fā)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(dāng)前的功率GaN FET有兩個(gè)主流方向：增強(qiáng)型（E-Mode，單芯片常關(guān)器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關(guān)器件）。目前E-Mode柵極有穩(wěn)定性和漏電流的問題，而驅(qū)動(dòng)雙芯片常關(guān)（或者說共源共柵配置）的D-Mode器件則更簡單并穩(wěn)健。所以，對于可高達(dá)1 MHz開關(guān)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(qiáng)型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種，增強(qiáng)型是常關(guān)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(shè)計(jì)；Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來、以及大連芯冠等采用的是D-Mode設(shè)計(jì)。

珠海鯨芯創(chuàng)業(yè)投資管理有限公司投資總監(jiān)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(shè)計(jì)，但也有所不同，比如它們的氮化鎵管跟驅(qū)動(dòng)匹配的方式就不太一樣，Navitas采用的是單片集成HEMT和驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)單片集成的優(yōu)勢在于開關(guān)速度高，使器件的高頻性能得到充分發(fā)揮，但由于在氮化鎵上制作驅(qū)動(dòng)，無法兼顧復(fù)雜的方案，缺少測電流、測溫等功能，同時(shí)可靠性相比于硅基驅(qū)動(dòng)也會(huì)降低許多。

而英飛凌合封HEMT和驅(qū)動(dòng)、分立外掛驅(qū)動(dòng)兩種方案都有。其GaN開關(guān)管采用專用驅(qū)動(dòng)IC------GaN EiceDRIVE。單片集成方案，英飛凌內(nèi)如也有研發(fā)，但并未面世。

英諾賽科大部分的出貨產(chǎn)品并沒有搭配專門的驅(qū)動(dòng)IC保證開通與關(guān)斷（既無外掛專門的驅(qū)動(dòng)，也沒有將驅(qū)動(dòng)與功率管進(jìn)行合封），而是通過控制器直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者在氮化鎵功率管外直接搭建簡單的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這使得其產(chǎn)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(nèi)的級聯(lián)設(shè)計(jì)，并使用了藍(lán)寶石基襯底，成本較高。另外，因?yàn)榧壜?lián)設(shè)計(jì)是在硅管和氮化鎵開關(guān)管之間做級聯(lián)，可靠性和匹配上存在挑戰(zhàn)，需要器件在性能上做一定的妥協(xié)，因此在消費(fèi)電子領(lǐng)域，級聯(lián)設(shè)計(jì)不具有成本和性能的比較優(yōu)勢，但是在柵極的可靠性上，D-Mode級聯(lián)設(shè)計(jì)要由于E-Mode設(shè)計(jì)。PI采取的是功率管和驅(qū)動(dòng)合封的方式，搭配PI研發(fā)生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)IC。好處是，其驅(qū)動(dòng)跟現(xiàn)有的硅基驅(qū)動(dòng)是一樣的，產(chǎn)業(yè)鏈非常的成熟，整體設(shè)計(jì)也更簡單一些。

對于未來發(fā)展模式，就目前來看，硅基氮化鎵的成本更低，技術(shù)成熟度也高，未來幾年擴(kuò)產(chǎn)的產(chǎn)能平臺(tái)應(yīng)該會(huì)以硅基氮化鎵平臺(tái)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(shè)計(jì)的硅基氮化鎵為主。當(dāng)然，這兩種技術(shù)路線并沒有誰最好之說，有的只是性能、成本，以及應(yīng)用領(lǐng)域等多方面綜合考量后，做出權(quán)衡取舍后的結(jié)果。