近日，三星電子在韓國舉辦的2023年三星晶圓代工論壇上宣布，將于2025年啟動面向消費電子、數(shù)據(jù)中心和汽車應(yīng)用的8英寸氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體代工服務(wù)。

氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的“門面”之一，近期隨著技術(shù)的不斷升級，性能被進(jìn)一步開發(fā)，開始強(qiáng)勢“破圈”，不再局限于快充等消費電子市場，而是向新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、可再生能源等高速發(fā)展的熱門領(lǐng)域持續(xù)推進(jìn)。數(shù)據(jù)顯示，2022年全球氮化鎵功率器件市場規(guī)模為1.8億美元，到2026年將有望達(dá)到13.3億美元，年復(fù)合增長率達(dá)65%。

“上車”競爭力不斷提升

氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的中流砥柱，具備高頻率、低損耗、抗輻射性強(qiáng)等優(yōu)勢，可以滿足各種應(yīng)用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。近幾年，隨著各大科研院所和領(lǐng)軍企業(yè)的不斷研究，氮化鎵技術(shù)在成本、良率和穩(wěn)定性上，都實現(xiàn)了優(yōu)化和改善。

特別是在車用功率器件領(lǐng)域，氮化鎵功率器件的市場份額一直保持穩(wěn)定增長。數(shù)據(jù)顯示，到2027年，氮化鎵功率器件的市場規(guī)模有望達(dá)到20億美元，而在2021年僅為1.26億美元，電動汽車將成為氮化鎵功率器件的下一個增長點，市場規(guī)模將超過2.27億美元，年復(fù)合增長率將高達(dá)99%。

因此，氮化鎵也越來越受到汽車芯片大廠的青睞。近期，三星電子宣布，為了滿足汽車領(lǐng)域?qū)β拾雽?dǎo)體的需求，將進(jìn)軍氮化鎵市場，計劃在2025年，為汽車應(yīng)用、消費級和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域提供8英寸氮化鎵晶圓代工服務(wù)；英飛凌宣布，以8.3億美元收購氮化鎵功率半導(dǎo)體制造商GaN Systems，意在加強(qiáng)其氮化鎵產(chǎn)品組合，加速氮化鎵技術(shù)路線圖；德州儀器表示，將擴(kuò)大在日本福島縣會津工廠的氮化鎵晶圓產(chǎn)能。

隨著氮化鎵“上車”的速度不斷加快，競爭力不斷提升，在部分電壓等級相對硅和碳化硅更具優(yōu)勢。

英諾賽科產(chǎn)品部高級副總裁孫毅表示，在650V電壓等級，氮化鎵相對碳化硅具備更好的高頻特性，可以大幅提高終端產(chǎn)品的功率密度。目前主流的氮化鎵是硅基氮化鎵，整體相對碳化硅來講，成本的優(yōu)勢比較大，所以在650V這個等級來看，氮化鎵相對于碳化硅在性能和成本都具備比較大的優(yōu)勢。

安世半導(dǎo)體副總裁Carlos Castro表示：“氮化鎵擁有更高的效率、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。與硅解決方案相比，碳化硅車載充電器將成本降低了約13%，而氮化鎵則將系統(tǒng)成本降低了24%，而且可以大幅縮短新能源汽車的充電時間，以及減少電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)體積等?！?/span>

數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的必備神器

在當(dāng)下這個AI爆火的時代，需要部署大量的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和運算，整體的耗電量非常巨大。按照當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心用電量估算，到2030年，全球數(shù)據(jù)中心消耗的電能將達(dá)到3000TWh，占全球用電量的10%。有數(shù)據(jù)顯示，全球數(shù)據(jù)中心的整體供電效率每提升1%，將為全球節(jié)省4座1GWh的核電站。

如果在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源PFC和高壓DC/DC部分用氮化鎵MOSFET替代硅MOSFET，節(jié)省的電量可達(dá)到15TW以上，其價值可達(dá)到十幾億美元，并且有助于數(shù)據(jù)中心提升效率、降低成本、大幅降低電費，滿足碳中和、碳達(dá)峰的要求。

孫毅表示，AI芯片的算力提升，也離不開其供電功率密度和動態(tài)響應(yīng)的提升，氮化鎵可以發(fā)揮其高頻特性的優(yōu)勢，提升芯片供電模塊的工作頻率，從而提升供電的功率密度和動態(tài)響應(yīng)。英諾賽科目前提出了AI服務(wù)器全鏈路氮化鎵的解決方案，從交流電源，到總線電源模塊，直到CPU/GPU供電都采用氮化鎵方案，可以整體提升功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5%以上?；诘壍臄?shù)據(jù)中心供電解決方案，可以大幅減小其供電系統(tǒng)的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

氮化鎵在數(shù)據(jù)中心中的滲透率會持續(xù)增加，越來越多的電源供應(yīng)商已經(jīng)在其系統(tǒng)中使用了氮化鎵。德州儀器、英飛凌、羅姆等氮化鎵龍頭企業(yè)都宣布了最新進(jìn)展。

快充領(lǐng)域的“明星技術(shù)”

氮化鎵真正稱王還是在快充和射頻領(lǐng)域。因為其擁有高飽和電子漂移速率、高臨界擊穿電場等優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)，所以，采用氮化鎵功率芯片的充電器具有開關(guān)速度快、充電效率高、散熱快、體積小巧等明顯優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦等個人移動充電設(shè)備中。如今，氮化鎵已經(jīng)成功導(dǎo)入手機(jī)內(nèi)部電源管理。

數(shù)據(jù)顯示，氮化鎵的應(yīng)用加速了快充充電器的市場發(fā)展，2022年的快充滲透率提升至24％，全球市場規(guī)模達(dá)到27.43億美元。預(yù)計到2026年，國內(nèi)氮化鎵充電器市場規(guī)模將上升至50億元。小米、華為、努比亞等手機(jī)廠商開始入局氮化鎵充電器市場，氮化鎵充電器市場已經(jīng)進(jìn)入百花齊放的時代。

“目前，氮化鎵技術(shù)已經(jīng)成為消費電子充電領(lǐng)域的‘明星’?！睂O毅表示。

在射頻領(lǐng)域，Yole的數(shù)據(jù)顯示，氮化鎵射頻器件市場規(guī)模將從2020年的8.91億美元增長到2026年24億美元，年復(fù)合增長率為18%，其中電信基礎(chǔ)設(shè)施是氮化鎵射頻器件的主要驅(qū)動力。并且，除了中國，日本、韓國、美國等國家和地區(qū)也在積極布局5G和6G，氮化鎵射頻市場亟待爆發(fā)。

“5G通信將成為氮化鎵射頻器件未來主要的市場應(yīng)用領(lǐng)域?！焙戏市竟任㈦娮佑邢薰靖笨偨?jīng)理黃軍恒表示，GaN-on-SiC技術(shù)是氮化鎵射頻器件當(dāng)前采用的主要技術(shù)，部分采用GaN-on-Si技術(shù)。半絕緣型碳化硅襯底適用于做射頻氮化鎵器件，氮化鎵射頻應(yīng)用的碳化硅基氮化鎵外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企業(yè)為住友電工。

當(dāng)然，氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域不止這些，在LED驅(qū)動、汽車的激光雷達(dá)、電池化成、光伏逆變器與儲能等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。未來，氮化鎵還會有更多的應(yīng)用方向被發(fā)掘，讓我們拭目以待。

來源：中國電子報