根據(jù)韓國媒體 BusinessKorea 報(bào)導(dǎo)，三星電子即將進(jìn)軍氮化鎵 （GaN）市場，目的是為了滿足汽車領(lǐng)域?qū)β拾雽?dǎo)體的需求。

三星電子近期在韓國、美國舉辦的“2023三星晶圓代工論壇”活動(dòng)宣布，將在2025年起，為消費(fèi)級、資料中心和汽車應(yīng)用提供8寸氮化鎵晶圓代工服務(wù)。

據(jù)悉，氮化鎵因具備寬禁帶、高頻率、低損耗、抗輻射強(qiáng)等優(yōu)勢，可以滿足各種應(yīng)用場景對高效率、低能耗、高性價(jià)比的要求。當(dāng)前，氮化鎵的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于快充等消費(fèi)電子市場，而是向數(shù)據(jù)中心、可再生能源甚至新能源汽車市場持續(xù)推進(jìn)。到2026年，全球GaN功率元件市場規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長到13.3億美金，復(fù)合增長率高達(dá)65%。

面對強(qiáng)大的市場需求，眾多半導(dǎo)體廠商開始擴(kuò)充生產(chǎn)線，布局氮化鎵市場。


1、氮化鎵和碳化硅的競爭領(lǐng)域

在高壓功率晶體管市場，氮化鎵器件在400伏左右以下的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，而碳化硅現(xiàn)在在800伏及以上的應(yīng)用中具有優(yōu)勢（2000伏左右以上的市場相對較小）。隨著GaN器件的改進(jìn)，400至1,000V之間的重要戰(zhàn)場格局將發(fā)生變化。例如，隨著1,200V GaN晶體管的推出（預(yù)計(jì)在2025年推出），電動(dòng)汽車逆變器這個(gè)最重要的市場將加入這場戰(zhàn)斗。

SiC和GaN將大大減少排放。根據(jù)2007年創(chuàng)立的GaN器件公司Transphorm對公開數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅基于GaN的技術(shù)就可以在美國和印度減少超過10億噸的溫室氣體排放。數(shù)據(jù)來自國際能源署、Statista 和其他來源。相同的分析表明可節(jié)省1,400太瓦時(shí)的能源，即兩國當(dāng)年預(yù)計(jì)能源消耗的10%至15%。


2、GaN 與 SiC的競爭

考慮到這些相對優(yōu)勢和劣勢，讓我們逐一考慮各個(gè)應(yīng)用程序，并闡明事情可能如何發(fā)展。


電動(dòng)汽車逆變器和轉(zhuǎn)換器

特斯拉在2017年為其Model 3的車載或牽引逆變器采用SiC，這是該半導(dǎo)體的早期重大勝利。在電動(dòng)汽車中，牽引逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。逆變器還通過改變交流電的頻率來控制電機(jī)的速度。據(jù)新聞報(bào)道，如今，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors也在其逆變器中使用SiC，其他電動(dòng)汽車制造商也計(jì)劃在即將推出的車型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供應(yīng)。EV牽引逆變器的功率范圍通常從小型EV的約35kW到100kW到大型車輛的約400kW。

然而，將這場競賽稱為SiC還為時(shí)過早。正如我所指出的，要打入這個(gè)市場，GaN供應(yīng)商必須提供1,200-V的器件。電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)現(xiàn)在通常僅在400伏電壓下運(yùn)行，但保時(shí)捷Taycan擁有800伏系統(tǒng)，奧迪、現(xiàn)代和起亞的電動(dòng)汽車也是如此。預(yù)計(jì)其他汽車制造商將在未來幾年效仿。（Lucid Air有一個(gè) 900-V系統(tǒng)。）我希望在2025年看到第一個(gè)商用1,200-V GaN晶體管。這些設(shè)備不僅將用于車輛，還將用于高速公共EV充電器。

GaN可能實(shí)現(xiàn)的更高開關(guān)速度將成為EV逆變器的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢，因?yàn)檫@些開關(guān)采用了所謂的硬開關(guān)技術(shù)。在這里，提高性能的方法是非?？焖俚貜拇蜷_切換到關(guān)閉，以最大限度地減少設(shè)備保持高電壓 和通過高電流的時(shí)間。

除逆變器外，電動(dòng)汽車通常還配備車載充電器，可通過將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，利用壁（市電）電流為車輛充電。在這里，GaN再次非常有吸引力，原因與使其成為逆變器的理想選擇的原因相同。

電網(wǎng)應(yīng)用

至少在未來十年內(nèi)，用于額定電壓為3kV或更高的設(shè)備的超高壓電源轉(zhuǎn)換仍將是SiC的領(lǐng)域。這些應(yīng)用包括有助于穩(wěn)定電網(wǎng)、將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并在傳輸級電壓下再次轉(zhuǎn)換回來的系統(tǒng)，以及其他用途。


手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器

從2019年開始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基于GaN的壁式充電器。

GaN的高開關(guān)速度及其普遍較低的成本使其成為低功率市場（25至500W）的主導(dǎo)者，在這些市場中，這些因素以及小尺寸和穩(wěn)健的供應(yīng)鏈至關(guān)重要。這些早期的GaN功率轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)300kHz的開關(guān)頻率和超過92%的效率。他們創(chuàng)造了功率密度記錄，數(shù)字高達(dá)每立方英寸30W（1.83W/cmm3）——大約是他們正在更換的硅基充電器密度的兩倍。

自動(dòng)化探針系統(tǒng)施加高壓以對晶圓上的功率晶體管進(jìn)行壓力測試。自動(dòng)化系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)測試大約500個(gè)裸片中的每一個(gè)。


太陽能微型逆變器

近年來，太陽能發(fā)電在電網(wǎng)規(guī)模和分布式（家庭）應(yīng)用中都取得了成功。對于每個(gè)安裝，都需要一個(gè)逆變器將太陽能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為家庭供電或?qū)㈦娔茚尫诺诫娋W(wǎng)。今天，電網(wǎng)規(guī)模的光伏逆變器是硅 IGBT和SiC MOSFET的領(lǐng)域。但GaN將開始進(jìn)軍分布式太陽能市場，尤其是。

傳統(tǒng)上，在這些分布式安裝中，所有太陽能電池板都有一個(gè)逆變器箱。但越來越多的安裝人員更喜歡這樣的系統(tǒng)，其中每個(gè)面板都有一個(gè)單獨(dú)的微型逆變器，并且在為房屋供電或?yàn)殡娋W(wǎng)供電之前將交流電組合起來。這樣的設(shè)置意味著系統(tǒng)可以監(jiān)控每個(gè)面板的操作，以優(yōu)化整個(gè)陣列的性能。

微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。再加上電池，他們創(chuàng)造了一個(gè)不間斷的電源，以防止停電。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，調(diào)整電源的交流波形以提高效率并消除可能損壞設(shè)備的特性。對于這些，GaN提供了一種低損耗且經(jīng)濟(jì)的解決方案，正在慢慢取代硅。


5G和6G基站

GaN的卓越速度和高功率密度將使其能夠贏得并最終主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是5G和6G無線以及商業(yè)和軍用雷達(dá)。這里的主要競爭是硅LDMOS器件陣列，它們更便宜但性能較低。事實(shí)上，GaN在4GHz及以上的頻率上沒有真正的競爭對手。

對于5G和6G無線，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因?yàn)樗鼪Q定了硬件可以有效傳輸多少信息。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1GHz的帶寬，可實(shí)現(xiàn)超快的視頻和其他應(yīng)用。

使用絕緣體上硅技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種使用高頻硅器件的5G+解決方案，其中每個(gè)器件的低輸出功率都通過大量陣列來克服。GaN和硅將在這個(gè)領(lǐng)域共存一段時(shí)間。特定應(yīng)用程序的贏家將取決于系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能之間的權(quán)衡。


雷達(dá)

美國軍方正在部署許多基于GaN電子設(shè)備的地面雷達(dá)系統(tǒng)。其中包括由 Northrup-Grumman 為美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)建造的地面/空中任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)和有源電子掃描陣列雷達(dá)。雷神公司的SPY6雷達(dá)已交付給美國海軍，并于2022年12月進(jìn)行了首次海上測試。該系統(tǒng)大大擴(kuò)展了艦載雷達(dá)的范圍和靈敏度。


寬帶隙之戰(zhàn)才剛剛開始

如今，SiC在EV逆變器中占據(jù)主導(dǎo)地位，而且通常在電壓阻斷能力和功率處理能力至關(guān)重要且頻率較低的地方。GaN是高頻性能至關(guān)重要的首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，例如墻上插頭適配器、微型逆變器和電源。

但GaN和SiC之間的拉鋸戰(zhàn)才剛剛開始。無論競爭如何，一個(gè)應(yīng)用一個(gè)應(yīng)用，一個(gè)市場一個(gè)市場，我們可以肯定地說，地球環(huán)境將成為贏家。隨著這一技術(shù)更新和復(fù)興的新周期勢不可擋地向前發(fā)展，未來幾年將避免數(shù)十億噸溫室氣體排放。


3、驅(qū)動(dòng)氮化鎵性能再升級

除了龐大的消費(fèi)電子市場，數(shù)據(jù)中心、汽車電子、新能源領(lǐng)域在AI、通信、自動(dòng)駕駛、儲能等新技術(shù)的推動(dòng)下，形成了氮化鎵相關(guān)器件的需求趨勢，機(jī)構(gòu)分析指出，英飛凌收購GaN Systems正體現(xiàn)了GaN在汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域的未來發(fā)展前景。據(jù)了解，國內(nèi)頭部車企已經(jīng)率先將英諾賽科氮化鎵用于車載激光雷達(dá)產(chǎn)品上，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

數(shù)據(jù)中心早已對氮化鎵趨之若鶩。一方面，在PUE逐漸成為新數(shù)據(jù)中心建設(shè)、舊數(shù)據(jù)中心改建的硬性指標(biāo)后，基于氮化鎵的服務(wù)器電源在實(shí)現(xiàn)更高功率密度的同時(shí)，更容易做到鈦金級別的能效。另一方面，與汽車48V汽車系統(tǒng)一樣，數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)也面臨轉(zhuǎn)變。對于云服務(wù)廠商來說，48V DC/DC轉(zhuǎn)換器帶來的體積優(yōu)勢，將進(jìn)一步為數(shù)據(jù)中心降本增效。在今年三月份展會現(xiàn)場，英諾賽科對全鏈路氮化鎵數(shù)據(jù)中心解決方案做了全面介紹，并在現(xiàn)場展示采用InnoGaN 設(shè)計(jì)的全套方案，包括鈦金級2KW PSU，48V-12V 600W/1000W 電源模塊等，據(jù)介紹，全鏈路氮化鎵方案能夠幫助數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)減少50%的損耗。

隨著氮化鎵技術(shù)的不斷升級和迭代，各廠商的氮化鎵產(chǎn)品也逐漸豐富起來，而新市場、新領(lǐng)域的應(yīng)用需求也對氮化鎵的性能、產(chǎn)能及成本提出了更高的要求。以英飛凌、英諾賽科、安世半導(dǎo)體為代表的氮化鎵IDM企業(yè)或?qū)⒊蔀楣?yīng)主力。但英飛凌、安世半導(dǎo)體等仍停留在6英寸規(guī)模。英諾賽科是全球唯一一家8英寸硅基氮化鎵IDM廠商，當(dāng)前產(chǎn)能可達(dá)到每月10000片，相比之下，其產(chǎn)品在規(guī)?；慨a(chǎn)和性價(jià)比方面優(yōu)勢更為明顯，集設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體，也更能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速迭代，加速實(shí)現(xiàn)氮化鎵行業(yè)生態(tài)的構(gòu)建。