标签: 氮化镓

氮化镓（GaN），作为一种具有独特物理和化学性质的半导体材料，凭借卓越的功率转换效率、超快的开关速度以及出色的耐高温性能，在5G通信、新能源汽车、数据中心及消费电子等前沿领域扮演着重要角色。然而，GaN的可靠性评估及全面性能测试仍面临挑战，尤其是高耐性、优异热阻及极低界面电容等性能测试技术在国内尚待成熟。基于此，广电计量集成电路测试与分析研究所推出了GaN功率器件开关耐高压性能的可靠性评估及测试方法，实现对氮化镓功率器件的可靠性测试，不仅涵盖了AEC标准鉴定能力，同时具备对GaN 器件内在故障机制触发方法的验证能力。 攻克多样技术难题，铸就卓越技术品质 针对氮化镓功率器件动态性能测试所面临的挑战，深入探究氮化镓开关性能测试技术，对测试布局予以优化，规避测试过程中长环路的引入，从高低侧电压测量以及电流传感器选取等方面着力，成功攻克测试的难点，同时克服了氮化镓器件容易发生的电流崩塌问题，填补可靠性评估及测试能力空缺，为企业及行业提前预判器件的潜在失效问题。 服务优势 · 扩展服务范围： 填补国内研究的空缺，剖析GaN潜在失效机制。 · 提高监测效率： 实现动态性能的在线监测，异常电压电流可触发报警并暂停测试。 · 提前故障干预： 避免引入寄生参数，在早期及时干预，降低产品的失效率。 · 提升产品质量： 设置完整的可靠性系统，把控GaN产品质量。 解锁GaN器件故障机制，驱动行业升级 针对 GaN 仍存在一系列 Si 器件的可靠性评估及测试无法覆盖的难题，广电计量建立的氮化镓可靠性评估及测试方法不仅涵盖了标准鉴定能力，更重要具备对 GaN 器件内在故障机制触发方法的验证能力。通过深入研究GaN的可靠性问题并采取相应的措施来提高其可靠性水平，可以推动相关技术的创新和发展、确保产品质量与安全性、促进市场应用与拓展、降低维护成本与风险以及推动行业标准化与规范化发展。 集成电路测试与分析研究所 广电计量集成电路测试与分析研究所拥有各类高精尖分析仪器和专业技术团队，以技术引领市场，长期致力于元器件筛选及失效分析技术领域的科研和咨询服务，构建了包括元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证、车规功率模块AQG 324认证等多个技术服务平台，满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域的电子产品质量与可靠性的需求，能为客户提供专业化咨询、分析及培训等“一站式”服务，全面提升产品品质。

【哔哥哔特导读】PI近日宣布推出1700V氮化镓(GaN)开关IC，这一技术突破有哪些亮点?它将如何影响高压氮化镓市场? 近日，Power Integrations(以下简称PI)宣布推出InnoMux™-2系列单级、独立调整多路输出离线式电源IC的新成员。该芯片采用PI专有的PowiGaN™技术制造而成，支持更高母线电压的使用，是业界首款1700V氮化镓开关IC，更是首个超过1250V的氮化镓器件。 图源：PI官网 　　对于当前的高压市场而言，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为先进的第三代半导体材料，各自都具有独特的性能优势，并在不同领域发挥着重要作用。特别是功率氮化镓(Power GaN)技术作为后起之势， Baliga性能指数(与硅相比)高达900，远高于碳化硅的500，并且其禁带宽度可以达到3.4eV，高于碳化硅的3.3eV，这使得氮化镓的器件在高频、高效、大功率方面更具优势，逐渐在氮化镓高压领域崭露头角。 　　硅基IGBT曾长期统治高压高电流场景，但随着碳化硅的出现，其耐高压、耐高频以及低能耗的特性使其在高压市场实现了逐步替代。在1700V的高压市场中，碳化硅的名字并不陌生。那1700V碳化硅IC已经存在，如此大费周折地开拓高耐压氮化镓开关IC的目的何在? 　　半导体器件应用网的记者在PI的1700V氮化镓开关IC新品媒体沟通会现场对话PI市场营销副总裁Doug Bailey以及PI资深技术培训经理Jason Yan，探讨1700V氮化镓开关IC的重要意义。 01|1700V的突破在哪里? 　　PI推出的1700V额定耐压氮化镓InnoMux™-2IC可以在反激设计1000V DC输入情况下实现高于90%的功率变换效率，进一步提升了氮化镓功率器件的先进水平。 为什么突破高压氮化镓市场? 　　目前在氮化镓开关IC市场的应用中，面对不同的功率的应用，所采用的主流的开关技术也会不同。小于10W的小功率的开关应用仍然使用硅，因为性价比比较高，生产起来也比较容易。而如果有更小体积、更高功率密度的设计目标，则氮化镓技术具有无可比拟的优势，因其可以工作于更高频率，且也更加高效。 　　100W到1KW的之间的范围，在传统的高功率应用当中目前使用最多的还是用到碳化硅和IGBT。随着未来市场的发展，处于中间位置的SiC市场会慢慢缩小，中间缩小的区间会有相当大的一部分会被氮化镓所替代。PI致力于开发1700V的氮化镓开关IC正是基于对氮化镓技术的深刻理解及对高压功率氮化镓器件市场的预测。 　　碳化硅开关IC一直是一个高能耗产业，碳化硅的外延生长过程耗时较长，而且其独特产线的投入要求，使其总体成本相对较高。特别是在产品制造的过程中随着电压的升高，产品的缺陷就更容易暴露出来。因此，缺陷的减少意味着可以有更高电压适应环境。 PI市场营销副总裁Doug Bailey出席新品媒体沟通会 　　针对“为什么突破氮化镓高压市场?”的问题，PI市场营销副总裁Doug Bailey给出了PI的答案：氮化镓开关出现在1700V氮化镓高压领域的最大意义就在于可以显著节省产品成本。PI在氮化镓技术上具有更好的外延生长技术，这就意味着氮化镓开关IC的产品外延缺陷会更少，而采用传统的硅技术生产线即可生产氮化镓的特点，也使得在规划氮化镓生产制造以及降低成本上有了更多的自由。 　　产品新在何处? 　　PI技术副总裁Radu Barsan表示，新型InnoMux™-2 IC整合了1700V氮化镓技术和其他三项最新创新技术：独立、精确的多路输出调整;FluxLink™，也就是PI独创的次级侧控制(SSR)数字隔离通信技术以及无需有源钳位即可实现的零电压开关(ZVS)技术。 　　1. 独立、精确的多路输出调整： 　　a. InnoMux-2单级架构能大幅提高多路输出效率，消除了多路输出应用中常见的后级DC-DC变换，进而降低了损耗; 　　b. 同时由于采用单级变换，从而可以 大幅减少多达50%的元件数量 ，也便于优化整体电源的EMI特性; 　　c. 在高达1000VDC母线下可精确控制2组或3组CV输出(15-70W输出功率)， 在不同输入电压及负载条件下均能满足±1%的调整精度; 　　d. 次级侧实现的零电压开关操作使得只需一个主功率开关的条件下，在高母线电压应用中实现了90%的效率， 将损耗和热量减少44% ，进而显著降低了IC的温升，优化了系统的性能; 　　e. 高精度输出的特性，使得无需在辅助输出端使用假负载，大大优化了空载输入功率， 甚至于空载功耗会低于50mW，而待机功率相对于旧有方案也增加了20%; 　　f. 1700V耐压情况下，新型的F封装提高了高压引脚与低压引脚间的爬电距离，保证了整体方案在高母线电压、恶劣工作环境下电源的可靠性。 　　2. 次级侧控制(SSR)数字隔离通信技术 　　FluxLink次级侧控制数字隔离通信技术，无需光耦器，能有效提升芯片动态响应速度并降低电源输出电容的容量。 　　3. 无需有源钳位的零电压开关(ZVS)技术 　　a. 通过次级实现的零电压开关操作，大大降低了高母线电压下主功率开关管的开通损耗，提升效率的同时也降低了器件温升; 　　b. 器件的低温升带来的好处是可以利用PCB板进行散热—— 无需散热片 ，这对于缩小电源体积、提升功率密度有现实的意义。 　　E-Mode还是D-Mode? 　　目前市场上的GaN有E-Mode(增强型)或D-Mode(常闭耗尽型)两种, PI采用的是D-Mode的技术路线，为什么做出这样的选择? 　　E-Mode GaN是一种常闭型设备，在不增加栅极电压的情况下，设备处于关闭状态，不导电;为了形成导电通道，必须增加正栅极电压——利用偏置层(P-参杂)实现“常开”模式的FET状态，这样做会增加驱动不当产生的故障风险。 　　同时，E-mode要满足更高的驱动电压裕量来保证可靠性，就需要降低驱动电压。这样会导致器件本身的导通电阻变大，这样就牺牲了氮化镓器件低导通电阻的优势。 PI资深技术培训经理Jason Yan介绍新品 　　PI资深技术培训经理Jason Yan谈到：“PowiGaN(共源共栅架构)是一种常开型设备，使氮化镓器件工作于其天然的“常闭”模式状态。同时，PI的氮化镓器件依靠通过串联一个低压MOS管来实现功率器件的常开状态，不会牺牲氮化镓的天然导通特性， D-Mode在高温和高压条件下具有更高的稳定性和寿命。 MOS管目前已经具备非常成熟的驱动和保护技术，这样的架构无论是从保护还是驱动方面来说都不会对氮化镓的优势性能产生影响。” 02|在高压市场的应用将会如何? 　　根据Yole Group预计，从2022年到2028年，氮化镓功率器件市场将以49%的复合年增长率增长，市场价值将达到20.4亿美元，这一增长得益于氮化镓技术在提高能效、减小系统尺寸以及降低总成本方面的潜力。 　　所以氮化镓目前仍是一个前景产业，无论是从材料、成本还是从技术发展和未来趋势来看，相比技术成熟的硅以及成本昂贵的碳化硅，氮化镓都具备更广阔的空间。 　　据悉，此次1700V的氮化镓开关IC的推出正是PI对氮化镓市场应用趋势的独特理解，主动进行技术创新的诠释。市场营销副总裁Doug Bailey这样表示：我们同客户之间的沟通除了考虑基于客户的基本需求外，PI更加注重对于市场和应用的理解，进而主动提供一些革命性的新产品与新技术给客户更多的选择。 图源：PI官方 　　1700V氮化镓开关IC实现了产品InnoMux™-2高精度的输出以及1700V高压的突破的双创升级，同PI现有高压解决方案(StackFET™解决方案)相比更具优势，氮化镓技术的应用领域也就更广阔。 　　此前，Yole Group化合物半导体部门市场活动经理Ezgi Dogmus也表示：“到2029年底，功率氮化镓器件市场规模将达到20亿美元，并将扩展到各个应用领域。PI的1700V氮化镓开关IC无疑将在这个市场中占据一席之地。”那未来会在哪些应用领域看到1700V氮化镓开关IC的身影? 图源：PI官方 　　针对不同应用领域的氮化镓产品适配要求，1700V额定耐压的InnoMux2-EP系列凭借其高达300-1000V DC的宽输入电压范围和强大的1700V耐压能力，在工业控制、仪表、电机控制、储能以及太阳能等对电压范围和耐压能力有着极高要求的工业控制领域得到适用。 　　不仅如此，对于输入电压高达308V AC的应用场景，如计算机CPU、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、通信设备、功能性电源(包括传动装置、电机、照明、加热器、扬声器、家电等)、电视机以及显示器等领域，现有的750V耐压的InnoMux-2 器件同样兼具成本和性能效益。 　　1700V氮化镓开关IC以其更小的尺寸、高效率以及高功率密度的解决方案，为氮化镓高压市场带来了更丰富的选择。 图源：PI官方 　　即便氮化镓的应用前景相当可观，但是在氮化镓产品应用前景与产品本身始终无法绕开的一个问题就是如何做好成本与性能之间的兼顾。 图源：PI官方 　　在氮化镓领域如何平衡产品的成本与性能方面，PI从以下两点进行考虑：第一，使氮化镓的die size（裸片尺寸）做得越小越好，最大程度上节省成本;第二，降低外延生长期间的缺陷率，同样一个晶圆尺寸，能够产出更多芯片数量，使得成本得以降低。PI发挥氮化镓可以替代碳化硅的天然性能优势，极大平衡与兼顾成本跟性能两个方面，提升市场竞争力。 03|写在最后 　　随着技术的不断进步和成本的进一步降低，氮化镓有望在高压领域取代部分碳化硅器件，成为市场的新宠。即便如此，SiC器件在性能指标、工艺成熟度等方面目前较氮化镓而言确实具备更强的先发优势。 　　但值得肯定的是，1700V氮化镓开关IC作为氮化镓技术的重要突破，对于高压市场也有重要的应用，氮化镓技术未来会如何发展，还会在实际应用中呈现怎样的效果，我们将拭目以待。 本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载

随着移动设备的普及和电动汽车的崛起，人们对于充电速度的需求越来越迫切。在这个背景下，氮化镓（GaN）快充技术应运而生，成为满足这一需求的创新解决方案。 氮化镓快充技术主要通过将氮化镓功率器件应用于充电器、电源适配器等充电设备中，以提高充电效率和充电速度。具体来说，氮化镓功率器件可以实现更高的功率转换效率，从而减少能量损耗，同时也能够支持更高的充电功率输出，使得充电速度得以显著提升。 ▲氮化镓充电器 光耦与氮化镓快充技术的创新融合 然而，与高功率充电相关的电气安全问题也备受关注。在这一领域，光耦技术的应用正以其独特的优势成为了氮化镓快充技术的重要组成部分。光耦技术作为一种能够将电信号转换成光信号并实现电气与光学之间隔离的器件，为氮化镓快充技术的安全性和稳定性提供了全方位的保障。 ▲氮化镓充电器PCBA模块正面 ▲氮化镓充电器PCBA主板背面 隔离保护： 在氮化镓快充技术中，功率转换电路产生的高电压和高电流可能对控制电路造成潜在的风险。光耦技术可以将控制电路与功率转换电路之间的信号传输隔离开来，通过光信号传输，从而有效地防止高电压或高电流对控制电路的干扰和损坏，提高系统的安全性和稳定性。 反馈控制： 光耦技术可以用于监测充电过程中的电流、电压等参数，并将这些信息传输回控制系统。通过实时监测和反馈，系统可以对充电过程进行精确控制，保证充电过程的稳定性和安全性，防止过电流、过电压等异常情况的发生。 信号传输： 在氮化镓快充技术中，控制信号的传输需要保证稳定可靠，同时又要与高功率的功率转换电路隔离开来，以防止干扰和损坏。光耦技术通过将控制信号转换成光信号进行传输，实现了电气与光学之间的隔离，同时提高了信号的传输稳定性和可靠性。 安全保障： 光耦技术在氮化镓快充技术中扮演着重要的安全卫士角色。通过隔离保护、反馈控制和信号传输等创新应用，光耦技术为氮化镓快充技术提供了可靠的安全保障，有效降低了系统的安全风险，保护了用户和设备的安全。

随着移动设备的普及和电动汽车的崛起，人们对于充电速度的需求越来越迫切。在这个背景下，氮化镓（GaN）快充技术应运而生，成为满足这一需求的创新解决方案。 氮化镓快充技术主要通过将氮化镓功率器件应用于充电器、电源适配器等充电设备中，以提高充电效率和充电速度。具体来说，氮化镓功率器件可以实现更高的功率转换效率，从而减少能量损耗，同时也能够支持更高的充电功率输出，使得充电速度得以显著提升。 ▲氮化镓充电器 光耦与氮化镓快充技术的创新融合 然而，与高功率充电相关的电气安全问题也备受关注。在这一领域，光耦技术的应用正以其独特的优势成为了氮化镓快充技术的重要组成部分。光耦技术作为一种能够将电信号转换成光信号并实现电气与光学之间隔离的器件，为氮化镓快充技术的安全性和稳定性提供了全方位的保障。 ▲氮化镓充电器PCBA模块正面 ▲氮化镓充电器PCBA主板背面 隔离保护： 在氮化镓快充技术中，功率转换电路产生的高电压和高电流可能对控制电路造成潜在的风险。光耦技术可以将控制电路与功率转换电路之间的信号传输隔离开来，通过光信号传输，从而有效地防止高电压或高电流对控制电路的干扰和损坏，提高系统的安全性和稳定性。 反馈控制： 光耦技术可以用于监测充电过程中的电流、电压等参数，并将这些信息传输回控制系统。通过实时监测和反馈，系统可以对充电过程进行精确控制，保证充电过程的稳定性和安全性，防止过电流、过电压等异常情况的发生。 信号传输： 在氮化镓快充技术中，控制信号的传输需要保证稳定可靠，同时又要与高功率的功率转换电路隔离开来，以防止干扰和损坏。光耦技术通过将控制信号转换成光信号进行传输，实现了电气与光学之间的隔离，同时提高了信号的传输稳定性和可靠性。 安全保障： 光耦技术在氮化镓快充技术中扮演着重要的安全卫士角色。通过隔离保护、反馈控制和信号传输等创新应用，光耦技术为氮化镓快充技术提供了可靠的安全保障，有效降低了系统的安全风险，保护了用户和设备的安全。 高端光耦 首选晶台 晶台为您提供高品质的全系列高端光耦

前言 比碳化硅器件，氮化镓功率器件在同时对效率、频率、体积等综合方面有要求的场景中，将更有优势，比如氮化镓基器件已成功规模应用于快充领域。随着下游新应用规模爆发，以及氮化镓衬底制备技术不断取得突破， GaN 器件有望持续放量，将成为降本增效、可持续绿色发展的关键技术之一。 当前，第三代半导体材料已成为战略性新兴产业的重要组成部分，也正成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全技术的战略制高点。其中，氮化镓 (GaN) 作为一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到 3.4eV ，是最具代表性的第三代半导体材料之一。 图源：安世半导体官网 7 月 3 日，中国收紧了对镓、锗相关物项的出口，正是基于镓这种稀有金属的“半导体工业新粮食”的重要属性，以及在半导体材料、新能源等领域的广泛应用优势，所作出的重要政策调整。针对这一政策变化，本文将从制备工艺及挑战、未来新增长点、竞争格局对氮化镓这一材料做相关的探讨与分析。 “后起之秀”广受业界看好 氮化镓是指一种由人工合成的半导体材料，是第三代半导体材料的典型代表。与传统的硅材料相比，氮化镓 (GaN) 具有禁带宽度大、击穿电场强、导通电阻低、电子迁移率高、转换效率高、热导率高、损耗低等优点。 氮化镓单晶是性能优异的新一代半导体材料，可以广泛应用在通信、雷达、消费电子、汽车电子、电力能源、工业激光加工、仪器仪表等领域，因此其研制及批量化生产受到全球各国以及产业界的重点关注。 从产业链来看，氮化镓产业链上游主要包括衬底与外延片的制备。在 GaN 器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是 GaN 器件降低成本的突破口。由于 GaN 单晶衬底生长尺寸受限，通常在异质衬底 ( 蓝宝石、 SiC 和 Si) 上生长外延片。 同时，氮化镓单晶不能从自然界中直接获取，需要人工制备。目前 GaN 器件主要采用蓝宝石、 SiC 、 Si 等衬底，但外延层 GaN 和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低，产业界正着力突破 GaN 单晶衬底的制备技术。 整体来看，目前 GaN 单晶衬底以 2-4 英寸为主， 4 英寸已实现商用， 6 英寸样本正开发。 GaN 体单晶衬底的主要方法有氢化物气相外延法 (HVPE) 、氨热法、助熔剂法等。 其中， HVPE 方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法 ; 其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小以及会造成环境污染。氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本 ; 缺点是生长压力较高，生长速率低。助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶 ; 其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。 从技术成熟度来看，氮化镓技术的壁垒主要体现在以下几个方面：一是氮化镓技术相对较新，目前尚未完全成熟，需要进一步的研发和改进 ; 二是氮化镓技术的成本相对较高，需要大量的投入才能达到预期的效果 ; 三是氮化镓技术的供应链相对较为复杂，需要经过多方协调才能实现 ; 四是氮化镓技术的工艺复杂，需要经过多次迭代才能达到预期的效果。 从衬底工艺来看，氮化镓器件主要分为硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓两种晶圆。其中，硅基氮化镓在面积与整体成本考虑上具有比碳化硅组件更划算的可能，更适用于中低压 / 高频领域。硅基氮化镓生长速度较快，较容易扩展到 8 英寸晶圆 ; 受限于衬底，目前碳化硅基氮化镓仍是 4 英寸和 6 英寸晶圆， 8 英寸还没有大规模应用。硅基氮化镓性能略逊于碳化硅基氮化镓。 整体来看，目前氮化镓仍属 “后起之秀”，其全球市场供应的单晶数量少且价格高，成为制约氮化镓器件高质量发展的重要因素。 未来几大新的增长点 相对传统半导体器件，氮化镓器件在能源效率、功率密度、可靠性等方面具有明显的优势。随着 5G 通信生态、 AIGC 、云计算、大数据等新兴技术的快速发展，高速、高效、高能的半导体器件需求将日益增加，而 GaN 器件作为重要的功率和射频器件，将具备广阔的发展前景。同时，随着新基建、新能源、新消费等领域的持续推进，氮化镓器件将在太阳能逆变器、风力发电、新能源汽车等方面得到广泛应用。整体来看，伴随 5G 通信和消费电子业务的确定性增长、新能源赛道与数据中心的集中爆发，未来 3-5 年氮化镓器件将在以下几个领域出现较快增长。 5G 通信基站 无线通讯基础设施是氮化镓射频器件的主要应用领域，占比达到 50% 。据 CASA Research 统计， 2021 年 GaN 射频市场规模为 73.3 亿元。氮化镓材料的优异性能使得其射频器件在 5G 基站应用中更为合适。 5G 基站中主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。氮化镓材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力。 根据工信部数据，截至 2022 年 12 月末，我国已建成 5G 基站总数达到 230 万个， 2022 年新建 88.7 万站 5G 基站，当前 5G 基站数量已达到移动基站总数的 22% 。工信部指引 2023 年将新建 5G 基站 60 万个，累计 5G 基站总数将超过 290 万个。 2021 年我国 5G 基站用 GaN 射频规模 36.8 亿元。 2023 年以后，毫米波基站部署将成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波射频器件市场规模成倍数增长。另外，目前 GaN 射频器件随着技术进步价格下降。据 Mouser 数据， 2018-2021 年， RF GaN HEMT 与 Si LDMOS 价差持续缩小。这也将有助于 GaN 射频器件提升渗透率。 2. 高功率电源 GaN 的“双高”特性在高性能消费电子设备中渗透潜力巨大，可满足快速充电与充电保护的场景要求。具体应用场景主要包括： PD 快充、电源适配器、无线充电、过电压保护 OVP 等。消费电子领域存量市场巨大但竞争激烈，但占据性能高地的 GaN 功率器件有望不断渗透并创造新的增量动力。 除 PD 快充以外，消费电子市场还有两个趋势有望成为 GaN 功率产品在消费电子领域的新增长点，一是大功率快充产品的前端 PFC 电路中采用了 GaN 电力电子器件，二是苹果、华为、三星等移动设备厂商在研发基于 GaN 的高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。 具体来看， “充电”将成为 GaN 功率器件放量提价的关键。在电源适配器、无线充电应用中， GaN 器件关断速度快、开关频率高、无反向恢复损失、低传导损耗的特点可以得到充分发挥，逐步取代原有电源适配器中 Si MOSFET 趋势明显。 根据 TrendForce 集邦咨询《 2023 GaN 功率半导体市场分析报告 -Part1 》显示，全球 GaN 功率元件市场规模将从 2022 年的 1.8 亿美金成长到 2026 年的 13.3 亿美金，复合增长率高达 65% 。 3. 新能源汽车 从实际应用来看，目前上车的第三代半导体器件主要是碳化硅器件，但有合适采用氮化镓材料能通过车规认证的功率器件模块、或其他合适的封装方式，仍然会被整机厂和 OEM 厂商接受。从具体应用来看， GaN 功率半导体主要用于电动汽车的动力总成系统，包括车载充电器 OBC 、 DC-DC/DC-AC 及 BMS 电池管理系统。 车规级市场对功率芯片可靠性、稳定性、效率要求更高。车规级芯片在温度适用范围、湿度、抗电磁干扰、抗机械振动方面，都比消费类和工业级提出更高要求，设计寿命也远长于消费类和工业级芯片。根据 Navitas 、 Yole 数据测算，预计 2030 年电动汽车单车 GaN 价值量有望达到 50 美元 / 辆。 数据显示， 2022 年全国新能源汽车销量达到 680 万辆，渗透率爆发式提升，汽车电动化等级提升显著增加了功率半导体单车价值量。可以说，新能源汽车有望打开 GaN 功率器件第二增长曲线，有望成为新的潜在增长点。 4. 数据中心 2023 年，随着 ChatGPT 风靡全球， AIGC 有望加速推动其下游业务，对上游算力支撑提出巨大需求，数据中心放量确定性极强。 GaN 功率半导体主要用于数据中心的 PSU 电源供应单元。与传统 Si 相比， GaN 可以减少用电成本并提升能量密度，减小 PSU 单元尺寸、优化数据中心整体机架排布，提供更紧凑、高效、可靠的电力供应系统。 2022 年 3 月， GaN Systems 宣布推出尖端电源单元 (PSU) 解决方案，使数据中心能够提高盈利能力，降低运营成本，并减少能源消耗，为更可持续的未来做出贡献。对于数据中心中的每 10 个一组的机架，如果使用基于 GaN 的 PSU 可提高 300 万美元的利润，并降低数据中心的运营成本，而且每年还可以减少 100 多吨的二氧化碳排放量。 氮化镓竞争格局分析 1. 与碳化硅的竞争 毫无疑问，从技术演进的角度，未来碳化硅、氮化镓等第三代半导体以及其他化合物半导体将逐步替代硅基器件，但不排除未来氮化镓在一些应用领域与碳化硅直面竞争，比如汽车市场。 不过，尽管 GaN 功率器件具备优异的性能，但在新能源汽车领域其渗透能力仍需持续关注，毕竟 SiC 器件在性能指标、成本、工艺成熟度等方面均具备更强的先发优势。 相比碳化硅器件，氮化镓功率器件在同时对效率、频率、体积等综合方面有要求的场景中，将更有优势，比如氮化镓基器件已成功规模应用于快充领域。然而，目前问题是寄生效应严重，限制了氮化镓基器件的性能。 2. 氮化镓产业链的竞争 从产业链发展来看，欧美日企业发展较早，技术积累、专利申请数量、规模制造能力等方面均处于绝对优势。而中国在自主替代大趋势下，目前在氮化镓产业链各环节均有所涉足，在政策支持下已在技术与生产方面取得进步。 在衬底材料上，碳化硅衬底与氮化镓器件匹配度高、性能好、且成本相对较低，受到广泛应用。全球碳化硅衬底市场集中度高，美国企业 CREE 和 II-VI 集团占据约 60% 的市场份额，天岳先进、天科合达等中国本土企业合计市占率仅 10% 左右。外延片材料方面，苏州晶湛、聚能晶源、聚灿光电是中国生产制造氮化镓外延片的代表企业。 在氮化镓器件制造方面， IDM 模式的代表厂商有三安光电、英诺赛科、士兰微电子、苏州能讯、江苏能华、大连芯冠科技等公司， Fabless 厂商主要有华为海思、安谱隆等，同时海威华芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服务 (Foundry 模式 ) 。 整体来看，从氮化镓基功率器件角度看，中国材料和器件的整体研发水平基本与国际同步，但在部分特性指标上仍需努力，虽然已经应用于手机快充、通用电源等领域，但是产品可靠性与海外头部厂商的水平还存在一定差距。 当前，全球氮化镓产业链企业不断在扩大产能，一些国际大厂更是开启并购之路。比如，今年 3 月，英飞凌官宣收购氮化镓初创公司 GaN Systems ，交易总值 8.3 亿美元现金 (57 亿人民币 ) 。 GaN Systems 是开发基于 GaN 的功率转换解决方案的全球技术领导者。英飞凌收购 GaNSystems 一方面体现来了 GaN 在汽车、数据中心、工业等应用领域的未来发展前景，另一方面也预示着产业链竞争或将进入整合阶段。该公司预测，到 2027 年，氮化镓芯片市场将以每年 56% 的速度增长。 综合上述，随着下游新应用规模爆发，以及氮化镓衬底制备技术不断取得突破， GaN 器件有望持续放量，将成为降本增效、可持续绿色发展的关键技术之一。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。