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从消费电子到新能源汽车,谁在推动氮化镓产业的发展?

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2024-3-25     浏览次数:    

氮化镓功率器件在C端扬名,始于手机充电器——2019年10月,OPPO正式发布OPPO Reno Ace。这是氮化镓首次应用于手机原装快充充电器,而OPPO也成为全球首家在手机充电器中导入氮化镓技术的厂商。

经过短短几年时间的发展,基于氮化镓材料而研制的功率器件,凭借更高的电流密度、迁移率以及优秀的耐热性、导电性和散热性不断开疆拓土,目前已成为诸多应用领域中,颇具竞争力的技术。

氮化镓的大市场

氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片,中游为氮化镓器件制造商。在GaN器件中,衬底的选择对于器件性能起关键作用,因此衬底的选择也影响了器件的最终应用领域。

就当下的技术发展水平而言,GaN功率元件市场的发展主要由消费电子所驱动,关键应用为快速充电器。据了解,氮化镓充电器具有高效快速、安全可靠、方便携带、兼容性强、节能环保等多种优势,目前已有安克、倍思、绿联等配件厂商,华为、小米、OPPO、VIVO、苹果等手机厂商入局。其他消费电子场景还包括D类音频、无线充电等。

此外,氮化镓具有出色的高速开关特性,因而在基站和数据中心等领域中,氮化镓器件由于可以降低各种开关电源的功耗并实现小型化而被寄予厚望。

而在未来,随着氮化镓耐压能力的进一步提升,在可承受1200V超高电压而又具备更高性价比时,GaN在新能源市场的应用优势也将得到凸显。目前,丰田、宝马等车企以及氮化镓产业链企业已开始将氮化镓用于汽车的各个部分,特别是在车载充电器和高压直流转换器等关键部位。

而氮化镓对新能源汽车性能的提升也十分显著。数据显示,将氮化镓器件应用于新能源汽车的车载充电器、DC-DC转换器等领域时,可在节能70%的同时使充电效率达到98%,增加5%续航。

TrendForce集邦咨询预计,至2025年左右,氮化镓将小批量地渗透到低功率OBC和DC-DC中。再远到2030年,OEM或考虑将该技术移入到牵引逆变器。在此背景下,全球各大半导体厂商纷纷加速布局,扩产、并购、新品、合作的消息不断传来。

比如在2023年,就有IQE与VisIC联手开发用于电动汽车逆变器的8英寸氮化镓D-MODE功率产品;安世博能源科技与 GaN Systems联手加速并扩大GaN 在电动车的应用等合作案例。新品方面,英诺赛科在2023年12月推出了100V车规级氮化镓器件INN100W135A-Q。

从消费电子到新能源汽车,GaN的应用场景丰富,市场成长空间巨大。根据TrendForce集邦咨询《2023全球GaN功率半导体市场分析报告》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%。

幕后推手:氮化镓产业链日益完善

目前,氮化镓的主要创新主体仍以国际企业为主,并主要集中在日本及美国。

而中国氮化镓企业在氮化镓射频器件、功率器件、显示器件等领域竞相发展,竞争格局日益激烈,氮化镓产业链不断完善。

但国际企业目前在产能及技术上仍保持着领先地位。

衬底环节主要由日本住友化学、三菱化学、住友电工主导。其中,住友电工于2003年在世界上率先实现氮化镓衬底的量产,目前产品以2-3英寸为主,4英寸已经实现商用,6英寸样本也已开发。

三菱化学在2021年宣布采用低压酸性氨热法开发出4英寸GaN单晶衬底,且晶体缺陷仅为普通GaN衬底的1/100-1/1000。2022年,4英寸GaN单晶衬底正式推出。

国内代表厂商包括苏州纳维科技、东莞中镓半导体、镓特半导体等。目前,纳维科技、中镓半导体已实现2英寸GaN单晶衬底的量产,而4英寸氮化镓则仍处于研发及试生产阶段。

外延部分主流供应商包括 NTT-AT、Soitec、IQE、ALLos等。其中,Soitec可提供4、6英寸氮化镓外延晶圆,且目前已实现8英寸硅基氮化镓晶圆量产;ALLos聚焦于Micro LED显示屏市场,在2020年7月宣布与KAUST达成合作,共同研发高效硅基InGaN红色Micro LED。

国内代表厂商则包括三安光电、晶湛半导体、赛微电子、江苏能华等。其中晶湛半导体拥有国际先进的氮化镓外延材料研发和产业化基地,现已实现12英寸硅基氮化镓外延产品的量产及供应。

器件方面,厂商可按经营模式分为设计制造一体(IDM模式)、设计(Fabless模式)和代工厂(Foundry模式)。IDM模式的企业能够充分发掘技术潜力,其国际代表企业有Wolfspeed、德州仪器、英飞凌,国内则有三安光电、英诺赛科、润新微、苏州能讯、江苏能华、赛微电子等。

其中,Wolfspeed于2019年开始逐步剥离LED业务,专注于碳化硅电力电子器件和氮化镓射频器件,今年Wolfspeed再次宣布将氮化镓射频业务出售给MACOM;纳微半导体在2021年11月推出全球首款智能GaNFast?功率芯片,到2023年12月其氮化镓功率芯片发货量已经超过1.25亿颗。

国内企业中,三安光电氮化镓射频大功率单频产品已于2022年6月顺利起量。同时,湖南三安拥有硅基氮化镓代工平台,650V芯片代工平台已广泛导入消费电子领域;高压部分,湖南三安已完成900V器件的开发,并已导入到客户产品设计及系统验证。在2023年半年报中,三安光电还指出,硅基氮化镓的产能为2,000片/月。

英诺赛科拥有8英寸硅基氮化镓研发和制造平台,氮化镓产品覆盖高、中、低压全系列,并在消费类、汽车激光雷达、数据中心、新能源与储能领域的多个应用中大批量交付。截至2023年8月,英诺赛科氮化镓芯片出货量成功突破3亿颗。

结语

氮化镓的市场潜力巨大,其广泛应用却不会一帆风顺,比如氮化镓器件的一致性和可靠性就是其应用道路上的一大“拦路虎”,且氮化镓成本较高、产能较低,也限制了这一材料和技术的应用与发展。

值得庆幸的是,我国第三代半导体已具备了全创新链的研发能力,初步形成了从材料、器件到应用的全产业链。从消费电子到新能源汽车,在氮化镓产业链这场装备赛中,国产厂商正在加速布局,潜力巨大。

来源:集邦化合物半导体

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