近日，三星电子在韩国举办的2023年三星晶圆代工论坛上宣布，将于2025年启动面向消费电子、数据中心和汽车应用的8英寸氮化镓（GaN）功率半导体代工服务。
氮化镓作为宽禁带半导体的“门面”之一，近期随着技术的不断升级，性能被进一步开发，开始强势“破圈”，不再局限于快充等消费电子市场，而是向新能源汽车、数据中心、可再生能源等高速发展的热门领域持续推进。数据显示，2022年全球氮化镓功率器件市场规模为1.8亿美元，到2026年将有望达13.3亿美元，年均复合增长率达65%。
来源：英飞凌
“上车”竞争力不断提升
氮化镓作为宽禁带半导体的中流砥柱，具备高频率、低损耗、抗辐射性强等优势，可以满足各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。近几年，随着各大科研院所和领军企业的不断研究，氮化镓技术在成本、良率和稳定性上，都实现了优化和改善。
特别是在车用功率器件领域，氮化镓功率器件的市场份额一直保持稳定增长。数据显示，到2027年，氮化镓功率器件的市场规模有望达到20亿美元，而在2021年仅为1.26亿美元，电动汽车将成为氮化镓功率器件的下一个增长点，市场规模将超过2.27亿美元，年复合增长率将高达99%。
数据来源：Yole
因此，氮化镓也越来越受到汽车芯片大厂的青睐。近期，三星电子宣布，为了满足汽车领域对功率半导体的需求，将进军氮化镓市场，计划在2025年，为汽车应用、消费级和数据中心等领域提供8英寸氮化镓晶圆代工服务；英飞凌宣布，以8.3亿美元收购氮化镓功率半导体制造商GaN Systems，意在加强其氮化镓产品组合，加速氮化镓技术路线图；德州仪器表示，将扩大在日本福岛县会津工厂的氮化镓晶圆产能。
随着氮化镓“上车”的速率不断加快，竞争力不断提升，在部分电压等级相对硅和碳化硅更具优势。
英诺赛科产品部高级副总裁孙毅表示，在650V电压等级，氮化镓相对于碳化硅具备更好的高频特性，可以大幅提高终端产品的功率密度。目前主流的氮化镓是硅基氮化镓，整体相对碳化硅来讲，成本的优势比较大，所以在650V这个等级来看氮化镓相对于碳化硅在性能和成本都具备比较大的优势。
安世半导体副总裁Carlos Castro表示：“氮化镓拥有更高的效率、更高的功率密度和更低的系统成本。与硅解决方案相比，碳化硅车载充电器将成本降低了约13%，而氮化镓则将系统成本降低了24%，而且可以大幅缩短新能源汽车的充电时间，以及减少电源转换系统体积等。”
数据中心节能减排的必备神器
在当下这个AI爆火的时代，需要部署大量的数据中心进行数据的存储和运算，整体的耗电量非常巨大。按照当前的数据中心用电量估算，到2030年，全球数据中心消耗的电能将达到3000TWH，占全球用电量的10%。有数据显示，全球数据中心的整体供电效率每提升1%，将为全球节省4座1GWH的核电站。
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如果在数据中心的服务器电源的PFC和高压DC/DC部分，用氮化镓MOSFET替代硅MOSFET，节省的电量可达到15T瓦以上，其价值可达到十几亿美元，并且有助于数据中心提升效率、降低成本、大幅降低电费，达到碳中和、碳达峰的要求。
孙毅表示，AI芯片的算力提升，也离不开其供电功率密度和动态响应的提升，氮化镓可以发挥其高频特性的优势，提升芯片供电模块的工作频率，从而提升供电的功率密度和动态响应。英诺赛科目前提出了AI服务器全链路氮化镓的解决方案，从交流电源，到总线电源模块，直到CPU/GPU供电都采用氮化镓方案，可以整体提升功率转换效率达到5%以上。基于氮化镓的数据中心供电解决方案，可以大幅减小其供电系统的能耗，达到节能减排的效果。
氮化镓在数据中心中的渗透率会持续增加，越来越多的电源供应商已经在其系统中使用了氮化镓。德州仪器、英飞凌、罗姆等氮化镓龙头企业都宣布了最新进展。
快充领域的“明星技术”
氮化镓真正称王还是在快充和射频领域。因为其拥有高饱和电子漂移速率、高临界击穿电场等优越的电学性质，所以，采用氮化镓功率芯片的充电器具有高开关速度、充电效率高、散热快、体积小巧等明显优势，被广泛应用在手机、笔记本电脑等个人移动充电设备中。如今，氮化镓已经成功导入手机内部电源管理。
数据显示，氮化镓的应用加速了快充充电器的市场发展，2022年的快充渗透率提升至24％，全球市场规模达到27.43亿美元。预计到2026年，国内氮化镓充电器市场规模将上升至50亿元。小米、华为、努比亚等手机厂商开始入局氮化镓充电器市场，氮化镓充电器市场已经进入百花齐放的时代。
“目前，氮化镓技术已经成为消费电子充电领域的‘明星’。”孙毅表示。
数据来源：Yole
在射频领域，Yole的数据显示，氮化镓射频器件市场规模将从2020年的8.91亿美元增长到2026年24亿美元，复合年均增长率为18%，其中电信基础设施是氮化镓射频器件的主要驱动力。并且除了中国，日本、韩国、美国等国家和地区也在积极布局5G和6G，氮化镓射频市场亟待爆发。
“5G通信将成为氮化镓射频器件未来主要市场应用领域。”合肥芯谷微电子有限公司副总经理黄军恒表示，GaN-on-SiC技术是氮化镓射频器件当前采用的主要技术，部分采用GaN-on-Si技术。半绝缘型碳化硅衬底适用于做射频氮化镓器件，氮化镓射频应用的碳化硅基氮化镓外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企业为住友电工。
当然，氮化镓的应用领域不止这些，在LED驱动、汽车的激光雷达、电池化成、光伏逆变器与储能等领域都得到广泛的应用，未来，氮化镓还会有更多的应用方向被发掘，让我们拭目以待。
作者丨许子皓 来源：中国电子报
