十月中旬，蘋果官方確認新上架的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729元，將GaN技術在功率器件上的應用推向首個巔峰。作為第三代半導體材料的兩大明星之一，GaN成為大學研究項目已經過去20年，因其有望大幅改進電源管理、開關和功率輸出等應用，業(yè)內預計在未來幾年它將在許多應用中取代硅材料。其中，快充是第一個可以大規(guī)模生產的應用，事實也證明了這一點。

 

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

 

 

GaN為高頻、大功率設備提供了許多明顯的性能優(yōu)勢，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率。因此，在很多方面，對650V高功率晶體管而言，這都是一項理想的技術。自原國際整流器（IR，2016年被英飛凌收購）公司首個GaN器件誕生后，從該公司分離出來的技術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，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的擴充，GaN功率器件應用的環(huán)境從2010年左右開始迅速形成。從那一年起，很多企業(yè)相繼推出了產品，并開始供貨GaN功率器件，利用該器件的周邊技術也越來越完善，GaN功率器件的開發(fā)在2010年到2015年之間達到了首個高峰。

 

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晶體管測試成功，Transphorm 600V GaN晶體管和肖特基二極管投入市場，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。

 

在這一時期，除了專注GaN的新進公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半導體企業(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。

 

在應用方面，進入2013年以后，日本各大企業(yè)也相繼發(fā)布了采用SiC和GaN的功率器件新產品，還有不少企業(yè)宣布涉足功率器件業(yè)務。伴隨著耐壓600V的GaN功率晶體管的不斷面世，設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功率晶體管產品的耐壓多為200V以下，耐壓600V產品達到實用水平的只有美國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，并發(fā)布了使用6英寸硅基板的新產品，松下于2013年3月，夏普于4月15日已經分別開始樣品供貨耐壓600V產品。

 

在技術成熟度曲線中，這一時期正是行業(yè)對GaN技術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，需要重新設計周邊電路等。期望值和現(xiàn)實的落差，使得這一輪GaN投資熱潮很快開始下滑。2014年AZZURRO倒閉、三星關閉GaN部門、Transphorm估值大幅縮水；2016年，IR被英飛凌收購……GaN技術進入泡沫化的低谷期。

 

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



2020年，國際上有超過10家公司量產GaN功率器件。擊穿電壓主要集中在300V以下和650V，導通電流最高90A(EPC，40V/80V；GaN System，100V)。半導體分銷商Mouser數(shù)據(jù)顯示，2020年共有約150款GaN HEMT系列產品在售，較2019年新增30款左右。EPC推出的產品最多(61款)，Transphorm的產品最高耐壓值達到900V，GaN Systems的產品耐壓集中在100V和650V。安世在推出了650V工業(yè)級的GaN產品后，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)要求的產品。

 

國內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，國內新銳英諾賽科與納微半導體、PI（Power Integrations）在國際上形成了三足鼎立的局勢。在工業(yè)和汽車應用領域，國際廠商投入時間長，技術積累豐富，處于暫時領先地位，國內GaN企業(yè)相對而言起步稍晚，但發(fā)展之勢迅猛，有望在未來幾年內趕超。

 

 

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用（30-150V）和高壓應用（650V以上），以高壓電網到低壓SoC的供電系統(tǒng)舉例，高壓在前級，低壓在后級，越接近低壓的SoC端，GaN功率器件的應用場景和需求就越多。發(fā)展至今，GaN已經在從快充到電動汽車、激光雷達、數(shù)據(jù)中心的很多領域取得了長足的進步，而這些應用多數(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，由于當前的技術限制，GaN器件在高壓應用上的性能優(yōu)勢比低壓應用要明顯得多。但是隨著8英寸晶圓廠先進工藝的投入和關鍵技術如0.18um，0.35um工藝、外延生長技術和金屬互連等技術的攻克，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技術日趨成完善。

 

低壓GaN可以分為兩個技術平臺。一是80V-150V平臺，主要應用場景是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DC/DC功率密度可提升三倍；應用于第二級DC/DC高密度GaN Sip/IC解決方案的功率密度可達80W/in^3，對數(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，主要應用場景是12-48V電源系統(tǒng)，包括消費電子、移動電子設備等等。

 

例如在80V-150V平臺的數(shù)據(jù)中心應用中，服務器電源由功率因數(shù)校正(PFC)級（例如推挽電路）和一個諧振DC/DC級（LLC諧振轉換器）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。氮化鎵技術可以讓轉換器的每一級都受益。對于功率因數(shù)校正級，其低電容和零反向恢復可以允許配置一個簡單的推挽電路；對于LLC轉換器級，其更快的開關速度和更小的損耗使其可以采用更小的磁體和電容。此外，氮化鎵技術使得在同步整流中死區(qū)時間最上，同時也也減少了了損耗。最終的結果就是大幅提高了服務器主板的功率密度。

 

而在30-60V平臺應用的電源系統(tǒng)更貼近消費和移動電子設備，而最大的市場就是消費類市場，30-40V的GaN器件可以支撐消費類電子包括手機、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，其關鍵是要把功率器件的損耗降低，這方面GaN的優(yōu)勢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，智能手機這些小型的設備對占板面積要求非常苛刻，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實現(xiàn)更大的功率，就面臨著非常大的挑戰(zhàn)。這就是另一個設計關鍵，在提升功率的時候，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BoM的收益。而高頻只能在低壓的場景下來實現(xiàn)，不可能在高壓650V把頻率做到1MHz以上，因為現(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，現(xiàn)有的BCD工藝，CMOS的集成或分立工藝的頻率，小功率應用最高能做到1.2MHz，大功率的應用例如服務器電源在700KHz左右。GaN器件頻率理論上在大功率下可以達到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，也就意味著在當前低壓應用能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢。

 

30V-40V的GaN器件可支撐消費類電子產品主板充電密度和功率的大幅提升。長期來看，以GaN為基礎的48V電源架構的革新，將實現(xiàn)消費類電子產品主板電源的“All-GaN”解決方案。因此，不論是智能手機、數(shù)據(jù)中心，5G或是電動汽車等對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用，將成為未來氮化鎵主要的增長市場。

 

Yole對GaN功率器件市場的預測，但行業(yè)普遍認為該數(shù)據(jù)較為保守

 

隨著各領域SoC集成度、數(shù)據(jù)處理能力的大規(guī)模提升，對其供電系統(tǒng)的高頻、高功率密度需求越來越迫切。這種市場訴求，結合低壓氮化鎵技術的不斷成熟，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。根據(jù)Yole估計，在0~900V的中低壓應用中，GaN都有較大的潛力。按照整體市場154億美元來推測，占據(jù)68%的該部分低壓市場都是GaN的潛在市場，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用領域。但自從使用GaN技術的智能手機快充（>28瓦）問世后，其更小的外形尺寸、更高的效率和性價比，使之在手機以及筆記本電腦應用中備受青睞。GaN的主要應用是開關電源(SMPS)，因為它可滿足快速開關和高效率的需求。IHS Markit預測便攜電源適配器（<100瓦）、服務器電源、車載充電器和無線充電預計是其主要的增長領域。我們現(xiàn)在看到，氮化鎵技術開始在便攜電源適配器中加速使用，隨著這一領域獲得成功，預計它將會在更高功率、更為關鍵的一些應用領域得到應用。

 

以30-60V平臺的為例，這部分低壓GaN主要面向消費電子市場，而消費電子設備每年全球的出貨量約在20億臺，包括智能手機、筆記本電腦等，由于這些市場對價格極其敏感，氮化鎵將首先在高端領域采用。而高端智能手機每年出貨約7億臺，筆記本電腦1億臺左右。現(xiàn)有的技術平臺，每一臺設備中GaN的機會點保守估計在4-5顆器件，每年總計就是約30億顆GaN芯片的機會點。與此同時，GaN技術也將同其他半導體技術一樣，從消費電子市場向汽車、工業(yè)等應用擴展，不過這兩者的生態(tài)培育周期較長。

 

長期來看，低壓GaN將從消費類市場的發(fā)展開始，在大規(guī)模量產中持續(xù)進行工藝改進，隨后來到一個長期穩(wěn)定增長的黃金發(fā)展期。隨著用戶對供電系統(tǒng)電源功率密度需求不斷增加，以及功率器件設計和工藝水平的不斷提升，在產業(yè)鏈各方的努力攻關下，繼快充等高壓應用爆發(fā)，低壓GaN功率器件也將在消費電子、汽車、工業(yè)等領域中煥發(fā)更大的活力。