從手機充電器到汽車充電器，氮化鎵開啟逆襲之路
如今的消費類電源市場，要說「幾乎人手一個氮化鎵快充充電器」并不過分吧？
從 2018 年前后開始，氮化鎵快充充電器進入國內市場，隨后便開啟了第三代半導體材料功率器件的新王朝，充電器的發展坐上騰飛的火箭，在短短時間從內到外煥然一新：體積越來越小的同時，功率越來越大，手機上的規格從最初的 5W，到現在早已超過百瓦。
這就是氮化鎵材料帶來的行業革新。發展了 5 年之后，時間來到 2023 年，移動充電器市場也不再如昨日般沸騰，那么我們再談氮化鎵，又有著怎樣的新思路。
先回顧 GaN 氮化鎵的優勢
氮化鎵（GaN）是一種「寬禁帶」（WBG）材料，其禁帶寬度是硅的 3 倍多。禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場，更大的禁帶寬度可以開發出載流子濃度更高的器件結構。
由于氮化鎵具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優勢，氮化鎵充電器的運行速度，比傳統硅器件要快 100 倍。它可以在更小的器件空間內處理更大的電場，同時提供更快的開關速度。此外，氮化鎵比硅基半導體器件，可以在更高的溫度下工作。
所以氮化鎵在電力電子領域主要優勢在于高功率、低損耗與高頻率，這些特性令其在充電器行業大放異彩。采用了氮化鎵的充電器，能在尺寸和重量減半的前提下，實現高達甚至是 3 倍的功率處理能力。
這就是為什么我們在短短幾年內看到充電器發生翻天覆地變化的原因，氮化鎵帶來的優勢過于巨大，一時間快充市場規模迅速增長，同時也加速了各路行業與廠商的內卷。
氮化鎵器件有望持續放量
第三代半導體材料憑借其優越性、實用性和戰略性，被許多發達國家已經列入國家計劃，進行全面部署，包括氮化鎵在內的器件將成為發展主流。
氮化鎵產業鏈一般劃分為上游的材料即襯底和外延片、中游的器件和模組、下游的系統和應用。從各環節來看，歐美日企業發展較早，技術積累、專利申請數量、規模制造能力等方面均處于絕對優勢。
我國在自主替代大趨勢下，目前在氮化鎵產業鏈各環節均有所涉足，在政策支持下已在技術與生產方面取得進步，產業結構相對聚焦中游，多家國內企業已擁有氮化鎵晶圓制造能力。
此外，5G通訊的革命性轉變重塑了射頻技術產業，也為我國氮化鎵器件帶來重大的市場機遇。5G通訊基站是氮化鎵市場主要驅動因素之一，氮化鎵射頻器件主要應用于無線通訊，占比到達49%。氮化鎵材料耐高溫、高壓及承受更大電流的優勢使得射頻器件應用在5G基站中更加合適。隨著國內5G基站覆蓋率不斷上升，對氮化鎵射頻器件需求將更大。
此前，通過性能優化、產能提升、成本控制之后，我國氮化鎵在消費電子領域逐漸站穩了腳跟，成為主要驅動力。未來，隨著下游新應用規模爆發，以及氮化鎵襯底制備技術不斷取得突破，氮化鎵器件有望持續放量，將成為降本增效、可持續綠色發展的關鍵技術之一。
“上車”競爭力不斷提升
氮化鎵作為寬禁帶半導體的中流砥柱，具備高頻率、低損耗、抗輻射性強等優勢，可以滿足各種應用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。近幾年，隨著各大科研院所和領軍企業的不斷研究，氮化鎵技術在成本、良率和穩定性上，都實現了優化和改善。
特別是在車用功率器件領域，氮化鎵功率器件的市場份額一直保持穩定增長。數據顯示，到2027年，氮化鎵功率器件的市場規模有望達到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，市場規模將超過2.27億美元，年復合增長率將高達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，為了滿足汽車領域對功率半導體的需求，將進軍氮化鎵市場，計劃在2025年，為汽車應用、消費級和數據中心等領域提供8英寸氮化鎵晶圓代工服務；英飛凌宣布，以8.3億美元收購氮化鎵功率半導體制造商GaN Systems，意在加強其氮化鎵產品組合，加速氮化鎵技術路線圖；德州儀器表示，將擴大在日本福島縣會津工廠的氮化鎵晶圓產能。
隨著氮化鎵“上車”的速率不斷加快，競爭力不斷提升，在部分電壓等級相對硅和碳化硅更具優勢。
英諾賽科產品部高級副總裁孫毅表示，在650V電壓等級，氮化鎵相對于碳化硅具備更好的高頻特性，可以大幅提高終端產品的功率密度。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勢。
安世半導體副總裁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，以及減少電源轉換系統體積等。”
國際功率巨頭更是對碳化硅和氮化鎵通吃的布局態度。英飛凌去年投資20億歐元，在馬來西亞擴展寬禁帶半導體的產能，就包括碳化硅和氮化鎵；今年3月，英飛凌更是將斥資8.3億美元收購氮化鎵系統公司，以進一步增強英飛凌在功率系統領域的領導地位。
集邦咨詢化合物半導體分析師龔瑞驕表示，氮化鎵在400V系統內車載充電機的應用中，可能與碳化硅材料形成競爭，但因為氮化鎵材料在高壓上的局限，800V系統領域短期內應該不會有競爭產生。據預測，到2025年左右，氮化鎵功率元件會小批量地滲透到低功率的OBC（車載充電機）和DC-DC（直流轉直流電源）中，2030年代工廠商會考慮將氮化鎵移入到逆變器。
