從消費電子到新能源汽車(chē),誰(shuí)在推動(dòng)氮化鎵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?

作者 | 發(fā)布日期 2024 年 02 月 18 日 10:04 | 分類(lèi) 氮化鎵GaN

氮化鎵功率器件在C端揚名,始于手機充電器——2019年10月,OPPO正式發(fā)布OPPO Reno Ace。這是氮化鎵首次應用于手機原裝快充充電器,而OPPO也成為全球首家在手機充電器中導入氮化鎵技術(shù)的廠(chǎng)商。

經(jīng)過(guò)短短幾年時(shí)間的發(fā)展,基于氮化鎵材料而研制的功率器件,憑借更高的電流密度、遷移率以及優(yōu)秀的耐熱性、導電性和散熱性不斷開(kāi)疆拓土,目前已成為諸多應用領(lǐng)域中,頗具競爭力的技術(shù)。

氮化鎵的大市場(chǎng)

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料包括氮化鎵襯底及氮化鎵外延片,中游為氮化鎵器件制造商。在GaN器件中,襯底的選擇對于器件性能起關(guān)鍵作用,因此襯底的選擇也影響了器件的最終應用領(lǐng)域。

就當下的技術(shù)發(fā)展水平而言,GaN功率元件市場(chǎng)的發(fā)展主要由消費電子所驅動(dòng),關(guān)鍵應用為快速充電器。據了解,氮化鎵充電器具有高效快速、安全可靠、方便攜帶、兼容性強、節能環(huán)保等多種優(yōu)勢,目前已有安克、倍思、綠聯(lián)等配件廠(chǎng)商,華為、小米、OPPO、VIVO、蘋(píng)果等手機廠(chǎng)商入局。其他消費電子場(chǎng)景還包括D類(lèi)音頻、無(wú)線(xiàn)充電等。

此外,氮化鎵具有出色的高速開(kāi)關(guān)特性,因而在基站和數據中心等領(lǐng)域中,氮化鎵器件由于可以降低各種開(kāi)關(guān)電源的功耗并實(shí)現小型化而被寄予厚望。

而在未來(lái),隨著(zhù)氮化鎵耐壓能力的進(jìn)一步提升,在可承受1200V超高電壓而又具備更高性?xún)r(jià)比時(shí),GaN在新能源市場(chǎng)的應用優(yōu)勢也將得到凸顯。目前,豐田、寶馬等車(chē)企以及氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已開(kāi)始將氮化鎵用于汽車(chē)的各個(gè)部分,特別是在車(chē)載充電器和高壓直流轉換器等關(guān)鍵部位。

而氮化鎵對新能源汽車(chē)性能的提升也十分顯著(zhù)。數據顯示,將氮化鎵器件應用于新能源汽車(chē)的車(chē)載充電器、DC-DC轉換器等領(lǐng)域時(shí),可在節能70%的同時(shí)使充電效率達到98%,增加5%續航。

TrendForce集邦咨詢(xún)預計,至2025年左右,氮化鎵將小批量地滲透到低功率OBC和DC-DC中。再遠到2030年,OEM或考慮將該技術(shù)移入到牽引逆變器。在此背景下,全球各大半導體廠(chǎng)商紛紛加速布局,擴產(chǎn)、并購、新品、合作的消息不斷傳來(lái)。

比如在2023年,就有IQE與VisIC聯(lián)手開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)逆變器的8英寸氮化鎵D-MODE功率產(chǎn)品;安世博能源科技與 GaN Systems聯(lián)手加速并擴大GaN 在電動(dòng)車(chē)的應用等合作案例。新品方面,英諾賽科在2023年12月推出了100V車(chē)規級氮化鎵器件INN100W135A-Q。

從消費電子到新能源汽車(chē),GaN的應用場(chǎng)景豐富,市場(chǎng)成長(cháng)空間巨大。根據TrendForce集邦咨詢(xún)《2023全球GaN功率半導體市場(chǎng)分析報告》顯示,全球GaN功率元件市場(chǎng)規模將從2022年的1.8億美金成長(cháng)到2026年的13.3億美金,復合增長(cháng)率高達65%。

幕后推手:氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈日益完善

目前,氮化鎵的主要創(chuàng )新主體仍以國際企業(yè)為主,并主要集中在日本及美國。

而中國氮化鎵企業(yè)在氮化鎵射頻器件、功率器件、顯示器件等領(lǐng)域競相發(fā)展,競爭格局日益激烈,氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善。

但國際企業(yè)目前在產(chǎn)能及技術(shù)上仍保持著(zhù)領(lǐng)先地位。

襯底環(huán)節主要由日本住友化學(xué)、三菱化學(xué)、住友電工主導。其中,住友電工于2003年在世界上率先實(shí)現氮化鎵襯底的量產(chǎn),目前產(chǎn)品以2-3英寸為主,4英寸已經(jīng)實(shí)現商用,6英寸樣本也已開(kāi)發(fā)。

三菱化學(xué)在2021年宣布采用低壓酸性氨熱法開(kāi)發(fā)出4英寸GaN單晶襯底,且晶體缺陷僅為普通GaN襯底的1/100-1/1000。2022年,4英寸GaN單晶襯底正式推出。

國內代表廠(chǎng)商包括蘇州納維科技、東莞中鎵半導體、鎵特半導體等。目前,納維科技、中鎵半導體已實(shí)現2英寸GaN單晶襯底的量產(chǎn),而4英寸氮化鎵則仍處于研發(fā)及試生產(chǎn)階段。

外延部分主流供應商包括 NTT-AT、Soitec、IQE、ALLos等。其中,Soitec可提供4、6英寸氮化鎵外延晶圓,且目前已實(shí)現8英寸硅基氮化鎵晶圓量產(chǎn);ALLos聚焦于Micro LED顯示屏市場(chǎng),在2020年7月宣布與KAUST達成合作,共同研發(fā)高效硅基InGaN紅色Micro LED。

國內代表廠(chǎng)商則包括三安光電、晶湛半導體、賽微電子、江蘇能華等。其中晶湛半導體擁有國際先進(jìn)的氮化鎵外延材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地,現已實(shí)現12英寸硅基氮化鎵外延產(chǎn)品的量產(chǎn)及供應。

器件方面,廠(chǎng)商可按經(jīng)營(yíng)模式分為設計制造一體(IDM模式)、設計(Fabless模式)和代工廠(chǎng)(Foundry模式)。IDM模式的企業(yè)能夠充分發(fā)掘技術(shù)潛力,其國際代表企業(yè)有Wolfspeed、德州儀器、英飛凌,國內則有三安光電、英諾賽科、潤新微、蘇州能訊、江蘇能華、賽微電子等。

其中,Wolfspeed于2019年開(kāi)始逐步剝離LED業(yè)務(wù),專(zhuān)注于碳化硅電力電子器件和氮化鎵射頻器件,今年Wolfspeed再次宣布將氮化鎵射頻業(yè)務(wù)出售給MACOM;納微半導體在2021年11月推出全球首款智能GaNFast?功率芯片,到2023年12月其氮化鎵功率芯片發(fā)貨量已經(jīng)超過(guò)1.25億顆。

國內企業(yè)中,三安光電氮化鎵射頻大功率單頻產(chǎn)品已于2022年6月順利起量。同時(shí),湖南三安擁有硅基氮化鎵代工平臺,650V芯片代工平臺已廣泛導入消費電子領(lǐng)域;高壓部分,湖南三安已完成900V器件的開(kāi)發(fā),并已導入到客戶(hù)產(chǎn)品設計及系統驗證。在2023年半年報中,三安光電還指出,硅基氮化鎵的產(chǎn)能為2,000片/月。

英諾賽科擁有8英寸硅基氮化鎵研發(fā)和制造平臺,氮化鎵產(chǎn)品覆蓋高、中、低壓全系列,并在消費類(lèi)、汽車(chē)激光雷達、數據中心、新能源與儲能領(lǐng)域的多個(gè)應用中大批量交付。截至2023年8月,英諾賽科氮化鎵芯片出貨量成功突破3億顆。

結語(yǔ)

氮化鎵的市場(chǎng)潛力巨大,其廣泛應用卻不會(huì )一帆風(fēng)順,比如氮化鎵器件的一致性和可靠性就是其應用道路上的一大“攔路虎”,且氮化鎵成本較高、產(chǎn)能較低,也限制了這一材料和技術(shù)的應用與發(fā)展。

值得慶幸的是,我國第三代半導體已具備了全創(chuàng )新鏈的研發(fā)能力,初步形成了從材料、器件到應用的全產(chǎn)業(yè)鏈。從消費電子到新能源汽車(chē),在氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈這場(chǎng)裝備賽中,國產(chǎn)廠(chǎng)商正在加速布局,潛力巨大。(文:集邦化合物半導體 Winter)

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