行业动态
近日，三星电子在韩国举办的2023年三星晶圆代工论坛上宣布，将于2025年启动面向消费电子、数据中心和汽车应用的8英寸氮化镓（GaN）功率半导体代工服务。
氮化镓作为宽禁带半导体的“门面”之一，近期随着技术的不断升级，性能被进一步开发，开始强势“破圈”，不再局限于快充等消费电子市场，而是向新能源汽车、数据中心、可再生能源等高速发展的热门领域持续推进。数据显示，2022年全球氮化镓功率器件市场规模为1.8亿美元，到2026年将有望达到13.3亿美元，年复合增长率达65%。
“上车”竞争力不断提升
氮化镓作为宽禁带半导体的中流砥柱，具备高频率、低损耗、抗辐射性强等优势，可以满足各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。近几年，随着各大科研院所和领军企业的不断研究，氮化镓技术在成本、良率和稳定性上，都实现了优化和改善。
特别是在车用功率器件领域，氮化镓功率器件的市场份额一直保持稳定增长。数据显示，到2027年，氮化镓功率器件的市场规模有望达到20亿美元，而在2021年仅为1.26亿美元，电动汽车将成为氮化镓功率器件的下一个增长点，市场规模将超过2.27亿美元，年复合增长率将高达99%。
因此，氮化镓也越来越受到汽车芯片大厂的青睐。近期，三星电子宣布，为了满足汽车领域对功率半导体的需求，将进军氮化镓市场，计划在2025年，为汽车应用、消费级和数据中心等领域提供8英寸氮化镓晶圆代工服务；英飞凌宣布，以8.3亿美元收购氮化镓功率半导体制造商GaN Systems，意在加强其氮化镓产品组合，加速氮化镓技术路线图；德州仪器表示，将扩大在日本福岛县会津工厂的氮化镓晶圆产能。
随着氮化镓“上车”的速度不断加快，竞争力不断提升，在部分电压等级相对硅和碳化硅更具优势。
英诺赛科产品部高级副总裁孙毅表示，在650V电压等级，氮化镓相对碳化硅具备更好的高频特性，可以大幅提高终端产品的功率密度。目前主流的氮化镓是硅基氮化镓，整体相对碳化硅来讲，成本的优势比较大，所以在650V这个等级来看，氮化镓相对于碳化硅在性能和成本都具备比较大的优势。
安世半导体副总裁Carlos Castro表示：“氮化镓拥有更高的效率、更高的功率密度和更低的系统成本。与硅解决方案相比，碳化硅车载充电器将成本降低了约13%，而氮化镓则将系统成本降低了24%，而且可以大幅缩短新能源汽车的充电时间，以及减少电源转换系统体积等。”
数据中心节能减排的必备神器
在当下这个AI爆火的时代，需要部署大量的数据中心进行数据的存储和运算，整体的耗电量非常巨大。按照当前的数据中心用电量估算，到2030年，全球数据中心消耗的电能将达到3000TWh，占全球用电量的10%。有数据显示，全球数据中心的整体供电效率每提升1%，将为全球节省4座1GWh的核电站。
如果在数据中心的服务器电源PFC和高压DC/DC部分用氮化镓MOSFET替代硅MOSFET，节省的电量可达到15TW以上，其价值可达到十几亿美元，并且有助于数据中心提升效率、降低成本、大幅降低电费，满足碳中和、碳达峰的要求。
孙毅表示，AI芯片的算力提升，也离不开其供电功率密度和动态响应的提升，氮化镓可以发挥其高频特性的优势，提升芯片供电模块的工作频率，从而提升供电的功率密度和动态响应。英诺赛科目前提出了AI服务器全链路氮化镓的解决方案，从交流电源，到总线电源模块，直到CPU/GPU供电都采用氮化镓方案，可以整体提升功率转换效率达到5%以上。基于氮化镓的数据中心供电解决方案，可以大幅减小其供电系统的能耗，达到节能减排的效果。
氮化镓在数据中心中的渗透率会持续增加，越来越多的电源供应商已经在其系统中使用了氮化镓。德州仪器、英飞凌、罗姆等氮化镓龙头企业都宣布了最新进展。
快充领域的“明星技术”
氮化镓真正称王还是在快充和射频领域。因为其拥有高饱和电子漂移速率、高临界击穿电场等优越的电学性质，所以，采用氮化镓功率芯片的充电器具有开关速度快、充电效率高、散热快、体积小巧等明显优势，被广泛应用在手机、笔记本电脑等个人移动充电设备中。如今，氮化镓已经成功导入手机内部电源管理。
数据显示，氮化镓的应用加速了快充充电器的市场发展，2022年的快充渗透率提升至24％，全球市场规模达到27.43亿美元。预计到2026年，国内氮化镓充电器市场规模将上升至50亿元。小米、华为、努比亚等手机厂商开始入局氮化镓充电器市场，氮化镓充电器市场已经进入百花齐放的时代。
“目前，氮化镓技术已经成为消费电子充电领域的‘明星’。”孙毅表示。
在射频领域，Yole的数据显示，氮化镓射频器件市场规模将从2020年的8.91亿美元增长到2026年24亿美元，年复合增长率为18%，其中电信基础设施是氮化镓射频器件的主要驱动力。并且，除了中国，日本、韩国、美国等国家和地区也在积极布局5G和6G，氮化镓射频市场亟待爆发。
“5G通信将成为氮化镓射频器件未来主要的市场应用领域。”合肥芯谷微电子有限公司副总经理黄军恒表示，GaN-on-SiC技术是氮化镓射频器件当前采用的主要技术，部分采用GaN-on-Si技术。半绝缘型碳化硅衬底适用于做射频氮化镓器件，氮化镓射频应用的碳化硅基氮化镓外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企业为住友电工。
当然，氮化镓的应用领域不止这些，在LED驱动、汽车的激光雷达、电池化成、光伏逆变器与储能等领域都得到了广泛的应用。未来，氮化镓还会有更多的应用方向被发掘，让我们拭目以待。
来源：中国电子报
