第三代半導體：氮化鎵加速商用進程

張心怡

今年以來，氮化鎵（GaN）快充成為“網(wǎng)紅”產(chǎn)品，受到小米、OPPO、魅族等手機廠商的“熱捧"。氮化鎵在消費電子領域迅速起量的同時，其應用范圍也在持續(xù)擴展，正向新基建所涉及的5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等領域滲透。新基建將如何賦能氮化鎵，我國企業(yè)該如何抓住氮化鎵的成長契機，利用好市場窗口？

5G可率先打開商用空間

5G對氮化鎵的需求增長是非常明顯的，5G基站所需的PA，為氮化鎵帶來了絕佳的市場機遇。

由于氮化鎵具備高頻率高功率密度、損耗小等優(yōu)勢，射頻器件成為氮化鎵最有前景的應用領域之一。5G時代，氮化鎵將加速滲透基站所需的射頻功率放大器（PA）。

集邦咨詢指出，由于硅材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等特點，RFCMOS已經(jīng)不能滿足要求。GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，將逐步替代SiLDMOS，大幅運用于PA。市場研究機構Yole在報告中指出，5G商用宏基站以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，單基站PA需求達到192個。2019年全球GaN射頻器件市場規(guī)模達到5.27億美元，預計2023年將達到13.24億美元。

“5G對氮化鎵的需求增長是非常明顯的，5G基站所需的PA，為氮化鎵帶來了絕佳的市場機遇。隨著硅的性能開發(fā)逼近極限，氮化鎵替代硅切入更大帶寬、更高頻率的工作場景，使氮化鎵的優(yōu)勢能充分發(fā)揮出來，這是一個技術換代帶來的市場機會?！碧K州能訊高能半導體有限公司董事總經(jīng)理任勉向《中國電子報》記者表示。

今年3月，工業(yè)和信息化部在《關于推動5G加快發(fā)展的通知》中指出，將適時發(fā)布部分5G毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。任勉表示，毫米波基站對射頻功率器件的需求，比當前的宏基站市場更為可觀，將為氮化鎵帶來更加龐大的市場增量。

當前，我國企業(yè)已經(jīng)在5G氮化鎵射頻功率器件有所布局。蘇州能訊高能半導體已建成4英寸氮化鎵芯片產(chǎn)線，產(chǎn)能達到25000片4英寸氮化鎵晶圓，以迎接5G無線通信對氮化鎵射頻芯片的市場需求。海特高新在5G宏基站的射頻GaN已實現(xiàn)突破，在流片工藝上，已可實現(xiàn)代工制造。英諾賽科、賽微電子等企業(yè)也在積極開展相關布局。

高效率特性賦能數(shù)據(jù)中心

在數(shù)據(jù)中心等高能耗的使用場景下，氮化鎵憑借高效率的優(yōu)勢，將帶來顯著的節(jié)能效果。

在電力電子領域，氮化鎵充電器的市場熱度不減。除了追求高頻率、小體積的快充市場，氮化鎵在數(shù)據(jù)中心服務器電源、高端工業(yè)配電系統(tǒng)電源等領域也有著應用潛能。

對于數(shù)據(jù)中心，服務器運行所需的電能往往占據(jù)運營成本的“大頭”，如何提升能效比成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的關鍵課題。任勉指出，相對快充等體積敏感的應用領域，服務器電源將更好地發(fā)揮氮化鎵高效率、低功耗的優(yōu)勢。

“氮化鎵最大的特點是功率轉(zhuǎn)化效率高。尤其在數(shù)據(jù)中心等高能耗的使用場景下，氮化鎵憑借高效率的優(yōu)勢，將帶來顯著的節(jié)能效果。”任勉說。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心運營商GaNSystems測算，GaN器件用于從AC（交流電）到DC（直流電）的電源轉(zhuǎn)換，以及轉(zhuǎn)換負載的DC電源，可以將整體效率從使用硅器件的77%提高到84%，使數(shù)據(jù)中心的功率密度增加25%以上，并將單個機架的電力成本降低2300美元以上。

新能源汽車應用進入研發(fā)期

目前氮化鎵在車規(guī)領域的應用還處于初級階段，但未來幾年將呈現(xiàn)遞進式的增長。

在車規(guī)級市場，同為第三代半導體的碳化硅已經(jīng)實現(xiàn)應用，但氮化鎵還處于研發(fā)階段。

目前，用于新能源汽車的功率器件主要有三個領域：一是電機控制器，用于驅(qū)動及控制系統(tǒng);二是OBC（車載充電器），將交流電轉(zhuǎn)化為可以被新能源汽車動力電池使用的直流電;三是DC一DC直流轉(zhuǎn)換器，將動力電池的直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，給儀表盤、顯示屏、監(jiān)控系統(tǒng)等車載設備供電。專家表示，以當前的技術水平來看，氮化鎵用于DC一DC直流轉(zhuǎn)換器這個細分領域有著較為明顯的優(yōu)勢。

安世半導體MOS業(yè)務集團大中華區(qū)總監(jiān)李東岳向《中國電子報》記者表示，電動汽車對高效率、高功率密度有著嚴苛的要求。通過節(jié)約零組件對車內(nèi)空間的占用，讓乘坐空間更加舒適。針對高功率密度、強續(xù)航能力等需求，目前的硅功率半導體材料器件已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合電動汽車的需求。

當前，頭部廠商對車規(guī)氮化鎵多處于研發(fā)階段。安世半導體正在研發(fā)用于高壓DC-DC直流轉(zhuǎn)換器、OBC等車用氮化鎵產(chǎn)品;意法半導體看好氮化鎵在OBC及48V直流轉(zhuǎn)換器的潛力，并于今年宣布與臺積電合作，共同推進氨化鎵在汽車電氣化領域的應用;納微半導體在去年路演中表示，其GaNFET相關產(chǎn)品和技術可用于電動汽車和混合動力車的OBC和DC一DC轉(zhuǎn)換器，可以降低能量損耗并提升開關速度，使車輛實現(xiàn)更快的速度和更長的里程。

“車規(guī)功率器件的認證，從ASample到BSample到CSample，不管是可靠性還是方案的成熟度，都需要一定的驗證時間。目前氮化鎵在車規(guī)領域的應用還處于初級階段，但未來幾年預計會呈現(xiàn)遞進式的增長?！崩顤|岳說。

GaN應用多項挑戰(zhàn)待解

市場窗口往往稍縱即逝，一旦市場格局成形，企業(yè)再想進入并獲得市場主動權，就會比較困難。

雖然氮化鎵在多個新基建領域具備應用前景，但其仍處于發(fā)展初期，在技術開發(fā)、產(chǎn)品驗證、市場滲透等方面，還有待進一步催熟和突破。

任勉指出，在5G射頻領域，射頻的技術壁壘比電力電子高得多。電力電子工藝主要涉及材料、器件設計、前道工藝和后道封測。但射頻器件多了一個電磁波的技術維度，涉及射頻電路、射頻功放以及微波電子等，技術門檻更高。

在車用領域，李東岳表示，主要存在四方面的挑戰(zhàn)：一是車用領域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數(shù)的長期穩(wěn)定;二是車規(guī)功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應對熱應力和機械應力的過程中有著極高的可靠性;三是車在裝備的過程中，在體積重量和制造成本上都有嚴格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要;四是車規(guī)器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術門檻很高。

對于我國企業(yè)該如何利用好5G等新基建領域為氮化鎵帶來市場機遇，集邦咨詢分析師王尊民表示，在5G基站及數(shù)據(jù)中心服務器等使用場景，相關技術仍受國際大廠控制，因此我國廠商在其中參與的機會比較少。

“目前，我國廠商若要緊隨新基建的發(fā)展趨勢，首先要強化自身的制造與技術研發(fā)能力，例如RF通訊、電力傳輸?shù)闹圃鞂嵙?，才會逐步在相關應用領域站穩(wěn)腳跟?！蓖踝鹈裾f。

任勉指出，面向5G等領域的需求，我國氮化鎵相關企業(yè)要提前三到五年布局，進行五年左右的技術積累和三年左右的產(chǎn)能建設。

‘市場窗口往往稍縱即逝，一旦市場格局成形，企業(yè)再想進人并獲得市場主動權，就會比較困難。要提前準備技術、產(chǎn)能、人才，提升布局效率，抓緊時間切人?！比蚊阏f。