作者:刘洪

 

继消费、电信/数据通信和较低级别汽车应用后,功率氮化镓(GaN)的下一波浪潮即将到来,2027年市场规模可达20亿美元。这是市场研究和战略咨询公司Yole Dédevelopement(Yole)全面研究后得出的结论。

 

Yole化合物半导体团队发布的年度报告《Power GaN 2022》指出,GaN功率器件正在不同应用中渗透,从器件到不同粒度的晶圆都在增长。

 

GaN功率器件何以受宠?

 

GaNFast功率器件能够以速度较慢的硅基解决方案一半的体积和重量实现3倍充电速度,且节省能量高达40%。


更快

GaN功率器件的集成设计使其非常易于使用。通过简单的“数字输入、功率输出(digital-in,power-out)”操作,布局和控制非常简单。dV/dt转换速率控制和欠压锁定等功能确保其实现首次正确设计的机会,从而缩短上市时间。

 

 

更环保

由于片芯尺寸小、制造工艺步骤少和集成功能,GaN功率器件的CO2足迹比硅基方案低10倍。在更高级别组装中,GaN基充电器的制造和运输CO2排放量只有硅设计的一半。

 

实现更高效率源于GaN功率器件的高频工作能力,GaN为单开关电路准谐振反激带来了低电荷(低电容)、低损耗的好处,可以使慢硅典型开关频率从50kHz升级到分立式GaN的200kHz。

 

GaN功率器件在有源箝位反激(ACF)、临界导通模式(CrCM)图腾柱功率因数校正(PFC)和谐振电路(LLC)等桥式拓扑中扩展了GaN频率、密度和效率优势。随着硬开关拓扑转向软开关拓扑,可以最小化初级FET的一般损耗方程。更新的简单公式可以10倍以上的频率实现效率。

 

 

现在,硅已达到软开关速度极限,GaN功率器件实现的软开关在拓扑、开关和集成方面消除了速度限制。此外,GaN功率器件表现出平滑、干净、受控的EMI波形。在500V开关时,无过冲/尖峰、振荡,具有ZVS开启、零损耗关闭、同步整流、高频率,以及小型、低成本滤波器的好处。

 

GaN功率器件到底有多快呢?GaN是一种新型宽带隙半导体材料,开关速度比硅快100倍,性能提高20倍。硅基和分立式GaN很难达到几百kHz以上,但GaN器件可以在MHz以上工作。

 

我们来看看三家代表性公司有什么不同。

 

IDM全产业链运营

 

英诺赛科致力于第三代半导体硅基GaN(GaN-on-Si)研发与产业化,其主要产品涵盖从低压到高压(30V-650V)的GaN功率器件,导通电阻为200mΩ。

 

英诺赛科在8英寸硅基GaN核心技术和关键工艺领域已实现了重大突破,建立了高功率密度、高效率、高增益、低成本量产平台,实现了中国第三代半导体零的突破。目前,其珠海工厂产能为4000片/月,苏州工厂为6000片/月,2025年苏州工厂将实现70000片/月产能。

 

英诺赛科的优势是全产业链模式,8英寸硅基GaN外延使用最新一代Aixtron MOCVD reactor G5+C™ 生产,目前已成功生产超过数万片8英寸硅基GaN晶圆,每月高压和低压器件均已稳定量产出货。

 

Fabless合作拓展市场

 

纳微半导体是唯一一家将GaN电源与驱动、控制和保护集成到单片IC中的GaN公司。该公司的GaN功率器件在台湾新竹台积电晶圆厂生产,也是将标准硅晶圆用作惰性机械基板,在表面外延生长一层非常薄的GaN。

 

自2018年以来,纳微将高性能单片集成GaN功率器件导入市场,合作的全球移动消费头部前十家客户中已有八家采用纳微芯片量产。在高功率市场,其应用涵盖家电、数据中心、太阳能和电动汽车(EV),2022年将产生收入,营收态势将贯穿至2025年。

 

在生产工艺方面,包括掩模、蚀刻、扩散、溅射等均采用标准CMOS技术,其硅基GaN生产使用成本效益高、可广泛使用的250-350纳米设备,制造资本支出非常低。而正在进行的可靠性监测(ORM)测试已达58亿器件小时数,失效率(FIT)仅为0.16。

 

2022年1月,纳微半导体成立了全球首家针对EV的GaN功率芯片设计中心,意在进一步扩展更高功率市场。

 

自主研发高度集成

 

专注高压电源管理及控制领域高性能器件及电源方案的美国老牌供应商PI成立于1988年,早在2019年就推出了采用GaN晶体管(PowiGaN™)的InnoSwitch™3产品,当年出货达100万颗GaN基IC。

 

利用自研芯片制造工艺,PI完美地将GaN功率器件合封于主控芯片中,在提升产品效率、保障稳定性的同时,大大降低了应用导入门槛。

 

2022年推出的集成750V PowiGaN™ GaN开关的HiperPFS™5系列功率因数校正(PFC)IC效率高达98.3%,无需散热片即可提供高达240W输出功率和优于0.98的功率因数,适合高功率USB PD适配器、电视机、游戏机、PC一体机和家电应用。

 

PI有自己的晶圆代工伙伴(包括GaN产品),也在不断增加产能。其高压GaN产品技术优势加上以集成方案取代分立控制器+功率器件(而不是生产分立功率器件),节省空间、时间和成本,也将使其保持GaN市场的领先地位。

 

市场和技术怎么走?

 

据Yole预测,到2027年,消费电源市场价值将超过9.156亿美元,复合年增长率为52%。

 

在消费类AC/DC电源的系统电压与功率要求方面,GaN的“最佳点”(虚线方块)可能会改变。具体讲,电动工具充电器约50-200W,输入电压110VAC或230VAC;电视电源约100-500W,输入电压110VAC或230VAC;笔记本电脑快充约60-300W,输入电压110VAC或230VAC;智能手机快充约30-120W,输入电压110VAC或230VAC。

 

 

随着数据通信/电信监管变得更加严格,GaN的中期渗透率将会增加。数据中心采用48V负载点系统以降低功耗和布线量将有利于低压应用GaN,越来越多电源供应商将在系统中采用GaN。

 

为此,Transphorm、EPC、TI、Infineon和GaN Systems都宣布了几项设计导入。因此,预计2021-2027年数据通信/电信的GaN市场CAGR将达69%,2027年价值将超6.178亿美元。

 

 

虽然渗透率较低,汽车DC-DC转换器和车载充电器(OBC)将出现下一波增长。根据市场反馈,GaN功率器件制造商正在加速其产品的汽车认证,与Tier-1和OEM(正在评估汽车GaN方案)之间的合作越来越多。预计到2027年GaN汽车市场将超过2.27亿美元,CAGR为99%。

 

按终端市场划分,2021至2027年包括功率和D类音频放大器的消费类应用将占GaN功率器件市场的48%。

 

 

从GaN功率器件长期发展看,消费快充和低容量高端光伏逆变器应用将在短期内将推动GaN市场,而在中长期,数据中心和EV/HEV的出货量将增加,后续还有工业市场。

 

供应链动作不断

 

2021年以来,新参与者不断进入供应链。5月,纳微在与Live Oak收购公司达成价值10.4亿美元的协议后,通过一家特殊目的收购公司(SPAC)的企业合并上市,估值为14亿美元。

 

出人意料的是,2022年2月,安森美将2008年从AMI Semiconductor收购,并于2020年宣布投资1200万欧元购买新设备扩产,却又在同年寻求出售的比利时6英寸晶圆厂卖给Belgan Group。

 

该工厂拥有0.35µm至2µm低、中、高压模拟CMOS和BCD技术,后者将改造成6/8英寸GaN代工厂,目标市场是汽车、移动、工业和可再生能源。Belgan新任CEO Alan Zhou认为这是“利用Imec(比利时微电子研究中心)的下一代GaN功率器件创新建立‘GaN Valley’的千载难逢的机会”。

 

2022年3月,Rohm开始生产节能小型化150V GaN HEMT,并将其注册为EcoGaN商标。该产品可将栅极耐压提高到8V,增加电源电路设计余量和可靠性,非常适合工业设备(如基站和数据中心)及物联网通信设备电源。

 

着眼于生态系统,中国的GaN玩家投资也越来越多。作为国内GaN龙头企业,英诺赛科投资4亿多美元,欲在2025年将其8英寸晶圆产能提升至每月70000片。

 

事实上,向8英寸平台过渡和供应链整合有更多参与者,正在推动器件制造成本降低,尤其是构成GaN功率器件成本结构最大部分的外延步骤。而其中一个大问题是使用内生外延和外包外延来实现未来的高量产?

 

一些公司意在向产业链上游延伸拓展,涉足外延材料和芯片设计两个环节,自主掌握GaN外延材料工艺诀窍,根据既定技术参数或客户指定参数生产自用并对外销售GaN外延材料。而在专业外延片代工厂视角,只有通过严格把控成本和质量,稳步扩充产线才能赢得客户的信赖。还有一些晶圆厂拥有外延生产或研发能力,同时也会灵活外包生产一部分外延片。

 

 

在代工行业,目前产能尚足以满足外延片需求;预计2027年总需求量约为87kwpm(Kwpm:每月1000片晶圆),未来将有更多投资开发下一代GaN功率器件,扩大产能来满足不断增长的需求,特别是外延层。

 

2021年,虽然中美科技战对全球半导体设备产业链造成重大负面影响,但台积电通过将6英寸设备全部折旧,实现了成本构成高达47%的设备折旧。激进的折旧政策使其在三年内即可折旧整条产线,然后开始尝试导入8英寸生产,产品也大幅降价,将一众竞争对手远远甩在身后。

 

写在最后

 

截至2022年,已有200多个GaN功率器件面市。随着GaN在配件和收纳式快充市场的增长,Yole预计2022年GaN Systems和Innoscience的份额将增加,而许多中国的新玩家已提供针对快充市场的650V产品。当然,在导通电阻方面还有进一步提升空间。

 

从器件更新角度看,意法半导体2021年初发布的MasterGaN器件内部集成GaN栅极驱动器和两个GaN开关,其MasterGaN5已实现150W功率转换应用。2020年3月EPC推出的2152以单芯片驱动器配以eGaN FET半桥功率级,在LGA封装中集成了输入逻辑界面、电平转换电路、自举充电电路、栅极驱动器的缓冲电路。这两家公司有可能赢得更多市场份额。

 

GaN正在推动下一波全球电源革命,在快充、物联网、智能家居、智能建筑、家电和工业等领域将展现出巨大潜力。