從消費電子到新能源汽車,誰在推動氮化鎵產業的發展?

作者 | 發布日期 2024 年 02 月 18 日 10:04 | 分類 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的廠商。

經過短短幾年時間的發展,基于氮化鎵材料而研制的功率器件,憑借更高的電流密度、遷移率以及優秀的耐熱性、導電性和散熱性不斷開疆拓土,目前已成為諸多應用領域中,頗具競爭力的技術。

氮化鎵的大市場

氮化鎵產業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鍵作用,因此襯底的選擇也影響了器件的最終應用領域。

就當下的技術發展水平而言,GaN功率元件市場的發展主要由消費電子所驅動,關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、節能環保等多種優勢,目前已有安克、倍思、綠聯等配件廠商,華為、小米、OPPO、VIVO、蘋果等手機廠商入局。其他消費電子場景還包括D類音頻、無線充電等。

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

而在未來,隨著氮化鎵耐壓能力的進一步提升,在可承受1200V超高電壓而又具備更高性價比時,GaN在新能源市場的應用優勢也將得到凸顯。目前,豐田、寶馬等車企以及氮化鎵產業鏈企業已開始將氮化鎵用于汽車的各個部分,特別是在車載充電器和高壓直流轉換器等關鍵部位。

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

TrendForce集邦咨詢預計,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或考慮將該技術移入到牽引逆變器。在此背景下,全球各大半導體廠商紛紛加速布局,擴產、并購、新品、合作的消息不斷傳來。

比如在2023年,就有IQE與VisIC聯手開發用于電動汽車逆變器的8英寸氮化鎵D-MODE功率產品;安世博能源科技與 GaN Systems聯手加速并擴大GaN 在電動車的應用等合作案例。新品方面,英諾賽科在2023年12月推出了100V車規級氮化鎵器件INN100W135A-Q。

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

幕后推手:氮化鎵產業鏈日益完善

目前,氮化鎵的主要創新主體仍以國際企業為主,并主要集中在日本及美國。

而中國氮化鎵企業在氮化鎵射頻器件、功率器件、顯示器件等領域競相發展,競爭格局日益激烈,氮化鎵產業鏈不斷完善。

但國際企業目前在產能及技術上仍保持著領先地位。

襯底環節主要由日本住友化學、三菱化學、住友電工主導。其中,住友電工于2003年在世界上率先實現氮化鎵襯底的量產,目前產品以2-3英寸為主,4英寸已經實現商用,6英寸樣本也已開發。

三菱化學在2021年宣布采用低壓酸性氨熱法開發出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、中鎵半導體已實現2英寸GaN單晶襯底的量產,而4英寸氮化鎵則仍處于研發及試生產階段。

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,且目前已實現8英寸硅基氮化鎵晶圓量產;ALLos聚焦于Micro LED顯示屏市場,在2020年7月宣布與KAUST達成合作,共同研發高效硅基InGaN紅色Micro LED。

國內代表廠商則包括三安光電、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的氮化鎵外延材料研發和產業化基地,現已實現12英寸硅基氮化鎵外延產品的量產及供應。

器件方面,廠商可按經營模式分為設計制造一體(IDM模式)、設計(Fabless模式)和代工廠(Foundry模式)。IDM模式的企業能夠充分發掘技術潛力,其國際代表企業有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年開始逐步剝離LED業務,專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務出售給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貨量已經超過1.25億顆。

國內企業中,三安光電氮化鎵射頻大功率單頻產品已于2022年6月順利起量。同時,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域;高壓部分,湖南三安已完成900V器件的開發,并已導入到客戶產品設計及系統驗證。在2023年半年報中,三安光電還指出,硅基氮化鎵的產能為2,000片/月。

英諾賽科擁有8英寸硅基氮化鎵研發和制造平臺,氮化鎵產品覆蓋高、中、低壓全系列,并在消費類、汽車激光雷達、數據中心、新能源與儲能領域的多個應用中大批量交付。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

氮化鎵的市場潛力巨大,其廣泛應用卻不會一帆風順,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、產能較低,也限制了這一材料和技術的應用與發展。

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

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