十月中旬，蘋果官方確認(rèn)新上架的140W USB-C電源適配器是其首款氮化鎵（GaN）充電器，約30分鐘即可從0%充至50%電量，售價(jià)729元，將GaN技術(shù)在功率器件上的應(yīng)用推向首個(gè)巔峰。作為第三代半導(dǎo)體材料的兩大明星之一，GaN成為大學(xué)研究項(xiàng)目已經(jīng)過去20年，因其有望大幅改進(jìn)電源管理、開關(guān)和功率輸出等應(yīng)用，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)在未來幾年它將在許多應(yīng)用中取代硅材料。其中，快充是第一個(gè)可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用，事實(shí)也證明了這一點(diǎn)。

 

在過去一年多的時(shí)間里，大功率快充逐漸成為智能手機(jī)標(biāo)配，而GaN快充可以很好地解決大電池帶來的充電時(shí)長、散熱等優(yōu)勢(shì)而逐漸深入人心。隨著蘋果親自下場(chǎng)為GaN技術(shù)“背書”，GaN大功率快充市場(chǎng)持續(xù)升溫，從30W到65W及更高功率、從智能手機(jī)到筆記本電腦等快速滲透。然而GaN才剛剛開始進(jìn)軍終端消費(fèi)大眾市場(chǎng)，中低壓功率器件是其首個(gè)率先觸及“甜蜜點(diǎn)”的應(yīng)用區(qū)間。

 

 

GaN為高頻、大功率設(shè)備提供了許多明顯的性能優(yōu)勢(shì)，不僅能輕易地比體硅處理更高的電壓，而且還具有高熱容量和熱導(dǎo)率。因此，在很多方面，對(duì)650V高功率晶體管而言，這都是一項(xiàng)理想的技術(shù)。自原國際整流器（IR，2016年被英飛凌收購）公司首個(gè)GaN器件誕生后，從該公司分離出來的技術(shù)就逐漸分流成兩條線路，一條主攻高壓GaN，一條主攻低壓GaN。隨后，大量資本涌入GaN市場(chǎng)，催生了眾多的創(chuàng)業(yè)公司。

 

 

回顧過去20年，隨著GaN功率器件的成本降低、電氣特性提高和周邊技術(shù)的擴(kuò)充，GaN功率器件應(yīng)用的環(huán)境從2010年左右開始迅速形成。從那一年起，很多企業(yè)相繼推出了產(chǎn)品，并開始供貨GaN功率器件，利用該器件的周邊技術(shù)也越來越完善，GaN功率器件的開發(fā)在2010年到2015年之間達(dá)到了首個(gè)高峰。

 

2009年，IR公司推出了第一代GaN功率器件，隨后EPC發(fā)布20~200V GaN晶體管。

 

2011年，MicroGaN推出600V GaN高遷移率晶體管，Transphorm發(fā)布GaN-on-Si 600V EZ-GaN晶體管。

 

2012年，GaN Systems發(fā)布1200V GaN-on-Si晶體管，6英寸GaN-on-Si晶片可用。

 

2013年，富士通宣布600V GaN-on-Si晶體管測(cè)試成功，Transphorm 600V GaN晶體管和肖特基二極管投入市場(chǎng)，其他公司開始推出600V GaN高遷移率器件。

 

2015年，8英寸GaN-on-Si晶片可用。

 

在這一時(shí)期，除了專注GaN的新進(jìn)公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半導(dǎo)體企業(yè)也紛紛介入GaN功率器件，有曾做硅的企業(yè)如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半導(dǎo)體的企業(yè)如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企業(yè)如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。融資活動(dòng)也頻繁發(fā)生，2012年7月AZZURRO融資了260萬歐元發(fā)展8寸GaN-on-Si外延片，同年10月Transphorm又籌集了3500萬美元發(fā)展GaN功率器件，2012年5月UK政府資助NXP 200萬英鎊在Hazel Grove發(fā)展GaN功率器件。

 

在應(yīng)用方面，進(jìn)入2013年以后，日本各大企業(yè)也相繼發(fā)布了采用SiC和GaN的功率器件新產(chǎn)品，還有不少企業(yè)宣布涉足功率器件業(yè)務(wù)。伴隨著耐壓600V的GaN功率晶體管的不斷面世，設(shè)備廠商不僅有了更多的部件可選性，而且多家GaN功率器件廠商的相互競爭，還使得價(jià)格越來越低，形成了更加便于采用GaN功率晶體管的局面。

 

此前，GaN功率晶體管產(chǎn)品的耐壓多為200V以下，耐壓600V產(chǎn)品達(dá)到實(shí)用水平的只有美國Transphorm公司一家。隨著松下和夏普宣布全新涉足GaN功率器件業(yè)務(wù)，并發(fā)布了使用6英寸硅基板的新產(chǎn)品，松下于2013年3月，夏普于4月15日已經(jīng)分別開始樣品供貨耐壓600V產(chǎn)品。

 

在技術(shù)成熟度曲線中，這一時(shí)期正是行業(yè)對(duì)GaN技術(shù)寄予過高期望的高峰期。隨著越來越多的GaN功率器件面市，下游終端客戶的反饋卻是可靠性差、良率低、成本高，需要重新設(shè)計(jì)周邊電路等。期望值和現(xiàn)實(shí)的落差，使得這一輪GaN投資熱潮很快開始下滑。2014年AZZURRO倒閉、三星關(guān)閉GaN部門、Transphorm估值大幅縮水；2016年，IR被英飛凌收購……GaN技術(shù)進(jìn)入泡沫化的低谷期。

 

直到2018年后期，智能手機(jī)廠商開始率先推出GaN快充，一舉將GaN功率器件帶出了泡沫化的低谷期，進(jìn)入了穩(wěn)步爬升的光明期，2020年更是被視為GaN產(chǎn)品和技術(shù)起飛的元年。



2020年，國際上有超過10家公司量產(chǎn)GaN功率器件。擊穿電壓主要集中在300V以下和650V，導(dǎo)通電流最高90A(EPC，40V/80V；GaN System，100V)。半導(dǎo)體分銷商Mouser數(shù)據(jù)顯示，2020年共有約150款GaN HEMT系列產(chǎn)品在售，較2019年新增30款左右。EPC推出的產(chǎn)品最多(61款)，Transphorm的產(chǎn)品最高耐壓值達(dá)到900V，GaN Systems的產(chǎn)品耐壓集中在100V和650V。安世在推出了650V工業(yè)級(jí)的GaN產(chǎn)品后，也將GaN芯片引入散熱更好、寄生電感更低的新型封裝，打造完全符合車規(guī)要求的產(chǎn)品。

 

國內(nèi)650V高壓GaN功率器件的性能和出貨量已與國際廠商處于同等水平，國內(nèi)新銳英諾賽科與納微半導(dǎo)體、PI（Power Integrations）在國際上形成了三足鼎立的局勢(shì)。在工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域，國際廠商投入時(shí)間長，技術(shù)積累豐富，處于暫時(shí)領(lǐng)先地位，國內(nèi)GaN企業(yè)相對(duì)而言起步稍晚，但發(fā)展之勢(shì)迅猛，有望在未來幾年內(nèi)趕超。

 

 

眾所周知，硅材料適用于低壓(60V及以下)和低功率器件，GaN適用于中電壓(60-1200V)和中等范圍功率器件，SiC適用于高電壓(1200V及以上)和高功率器件。而GaN功率器件又可以分為低壓應(yīng)用（30-150V）和高壓應(yīng)用（650V以上），以高壓電網(wǎng)到低壓SoC的供電系統(tǒng)舉例，高壓在前級(jí)，低壓在后級(jí)，越接近低壓的SoC端，GaN功率器件的應(yīng)用場(chǎng)景和需求就越多。發(fā)展至今，GaN已經(jīng)在從快充到電動(dòng)汽車、激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)中心的很多領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，而這些應(yīng)用多數(shù)都是650V及以上的高壓功率器件。

 

 

首先，高壓GaN器件對(duì)晶圓制造工藝要求不高，6英寸的工藝制程完全可以滿足制造需求，因此GaN最早就脫胎于6英寸晶圓廠，直到現(xiàn)在制造仍然以6英寸晶圓為主。其次，由于當(dāng)前的技術(shù)限制，GaN器件在高壓應(yīng)用上的性能優(yōu)勢(shì)比低壓應(yīng)用要明顯得多。但是隨著8英寸晶圓廠先進(jìn)工藝的投入和關(guān)鍵技術(shù)如0.18um，0.35um工藝、外延生長技術(shù)和金屬互連等技術(shù)的攻克，低壓GaN器件元胞pitch size急劇縮減，器件性能參數(shù)指標(biāo)FOM值已優(yōu)于同電壓規(guī)格的硅MOS器件數(shù)倍，低壓GaN技術(shù)日趨成完善。

 

低壓GaN可以分為兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)。一是80V-150V平臺(tái)，主要應(yīng)用場(chǎng)景是48-72V的電源系統(tǒng)，包括汽車、工業(yè)通訊和數(shù)據(jù)中心等等。GaN-base的第一級(jí)DC/DC功率密度可提升三倍；應(yīng)用于第二級(jí)DC/DC高密度GaN Sip/IC解決方案的功率密度可達(dá)80W/in^3，對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，電源體積可因此減少50%，容量可提升10%左右。二是30-60V平臺(tái)，主要應(yīng)用場(chǎng)景是12-48V電源系統(tǒng)，包括消費(fèi)電子、移動(dòng)電子設(shè)備等等。

 

例如在80V-150V平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，服務(wù)器電源由功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)（例如推挽電路）和一個(gè)諧振DC/DC級(jí)（LLC諧振轉(zhuǎn)換器）組成，輸出電壓通常為12V。為了節(jié)省大量能源，從而降低電力成本，目前的趨勢(shì)是向48V電源發(fā)展。而更高的電壓可將輸電線路上的功耗最高減少到原來的1/16。氮化鎵技術(shù)可以讓轉(zhuǎn)換器的每一級(jí)都受益。對(duì)于功率因數(shù)校正級(jí)，其低電容和零反向恢復(fù)可以允許配置一個(gè)簡單的推挽電路；對(duì)于LLC轉(zhuǎn)換器級(jí)，其更快的開關(guān)速度和更小的損耗使其可以采用更小的磁體和電容。此外，氮化鎵技術(shù)使得在同步整流中死區(qū)時(shí)間最上，同時(shí)也也減少了了損耗。最終的結(jié)果就是大幅提高了服務(wù)器主板的功率密度。

 

而在30-60V平臺(tái)應(yīng)用的電源系統(tǒng)更貼近消費(fèi)和移動(dòng)電子設(shè)備，而最大的市場(chǎng)就是消費(fèi)類市場(chǎng)，30-40V的GaN器件可以支撐消費(fèi)類電子包括手機(jī)、PC等的主板的充電密度大幅度提升。我們平常所說的充電功率xx瓦，是主板、電池等各個(gè)部件的性能的綜合體現(xiàn)。現(xiàn)在快充遇到的問題，不是適配器的功率提不上去，而是主板的功率密度提不上去，原因是發(fā)熱太高帶來了一些安全隱患，也就造成了一些使用限制。因此這類應(yīng)用在提升功率密度的充電密度和充電功率的情況下，一定要控制發(fā)熱，其關(guān)鍵是要把功率器件的損耗降低，這方面GaN的優(yōu)勢(shì)就得到了很好的體現(xiàn)。另一方面，隨著功率的提升，占板面積變大，智能手機(jī)這些小型的設(shè)備對(duì)占板面積要求非?？量?，大部分面積用于電池和攝像頭等模組，要在盡可能小的占板面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，就面臨著非常大的挑戰(zhàn)。這就是另一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，在提升功率的時(shí)候，怎樣保證占板面積不變甚至縮小。在這里GaN的高頻特性又發(fā)揮了重要作用。

 

因此，GaN高頻特性帶來的優(yōu)勢(shì)不僅僅是性能上的收益，在減小面積、周圍感性器件、容性器件的使用減少等方面更是整個(gè)BoM的收益。而高頻只能在低壓的場(chǎng)景下來實(shí)現(xiàn)，不可能在高壓650V把頻率做到1MHz以上，因?yàn)楝F(xiàn)階段的變壓器的磁性器件還無法匹配頻值的升高。在低壓范圍內(nèi)，現(xiàn)有的BCD工藝，CMOS的集成或分立工藝的頻率，小功率應(yīng)用最高能做到1.2MHz，大功率的應(yīng)用例如服務(wù)器電源在700KHz左右。GaN器件頻率理論上在大功率下可以達(dá)到10MHz，小功率下更高。因此只有把頻率做高，才能真正發(fā)揮氮化鎵的優(yōu)勢(shì)，也就意味著在當(dāng)前低壓應(yīng)用能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

 

30V-40V的GaN器件可支撐消費(fèi)類電子產(chǎn)品主板充電密度和功率的大幅提升。長期來看，以GaN為基礎(chǔ)的48V電源架構(gòu)的革新，將實(shí)現(xiàn)消費(fèi)類電子產(chǎn)品主板電源的“All-GaN”解決方案。因此，不論是智能手機(jī)、數(shù)據(jù)中心，5G或是電動(dòng)汽車等對(duì)功率器件同樣要求更小尺寸、更大功率、更低損耗的低壓氮化鎵應(yīng)用，將成為未來氮化鎵主要的增長市場(chǎng)。

 

Yole對(duì)GaN功率器件市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，但行業(yè)普遍認(rèn)為該數(shù)據(jù)較為保守

 

隨著各領(lǐng)域SoC集成度、數(shù)據(jù)處理能力的大規(guī)模提升，對(duì)其供電系統(tǒng)的高頻、高功率密度需求越來越迫切。這種市場(chǎng)訴求，結(jié)合低壓氮化鎵技術(shù)的不斷成熟，競爭力提升，將大大加速低壓氮化鎵生態(tài)的發(fā)展和成熟，成為氮化鎵大規(guī)模商用的真正爆點(diǎn)。根據(jù)Yole估計(jì)，在0~900V的中低壓應(yīng)用中，GaN都有較大的潛力。按照整體市場(chǎng)154億美元來推測(cè)，占據(jù)68%的該部分低壓市場(chǎng)都是GaN的潛在市場(chǎng)，約有105億美元。

 

 

在2019年之前，GaN功率器件主要還是一些小眾應(yīng)用領(lǐng)域。但自從使用GaN技術(shù)的智能手機(jī)快充（>28瓦）問世后，其更小的外形尺寸、更高的效率和性價(jià)比，使之在手機(jī)以及筆記本電腦應(yīng)用中備受青睞。GaN的主要應(yīng)用是開關(guān)電源(SMPS)，因?yàn)樗蓾M足快速開關(guān)和高效率的需求。IHS Markit預(yù)測(cè)便攜電源適配器（<100瓦）、服務(wù)器電源、車載充電器和無線充電預(yù)計(jì)是其主要的增長領(lǐng)域。我們現(xiàn)在看到，氮化鎵技術(shù)開始在便攜電源適配器中加速使用，隨著這一領(lǐng)域獲得成功，預(yù)計(jì)它將會(huì)在更高功率、更為關(guān)鍵的一些應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用。

 

以30-60V平臺(tái)的為例，這部分低壓GaN主要面向消費(fèi)電子市場(chǎng)，而消費(fèi)電子設(shè)備每年全球的出貨量約在20億臺(tái)，包括智能手機(jī)、筆記本電腦等，由于這些市場(chǎng)對(duì)價(jià)格極其敏感，氮化鎵將首先在高端領(lǐng)域采用。而高端智能手機(jī)每年出貨約7億臺(tái)，筆記本電腦1億臺(tái)左右?，F(xiàn)有的技術(shù)平臺(tái)，每一臺(tái)設(shè)備中GaN的機(jī)會(huì)點(diǎn)保守估計(jì)在4-5顆器件，每年總計(jì)就是約30億顆GaN芯片的機(jī)會(huì)點(diǎn)。與此同時(shí)，GaN技術(shù)也將同其他半導(dǎo)體技術(shù)一樣，從消費(fèi)電子市場(chǎng)向汽車、工業(yè)等應(yīng)用擴(kuò)展，不過這兩者的生態(tài)培育周期較長。

 

長期來看，低壓GaN將從消費(fèi)類市場(chǎng)的發(fā)展開始，在大規(guī)模量產(chǎn)中持續(xù)進(jìn)行工藝改進(jìn)，隨后來到一個(gè)長期穩(wěn)定增長的黃金發(fā)展期。隨著用戶對(duì)供電系統(tǒng)電源功率密度需求不斷增加，以及功率器件設(shè)計(jì)和工藝水平的不斷提升，在產(chǎn)業(yè)鏈各方的努力攻關(guān)下，繼快充等高壓應(yīng)用爆發(fā)，低壓GaN功率器件也將在消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域中煥發(fā)更大的活力。