第三代半导体：氮化镓加速商用进程

张心怡

今年以来，氮化镓（GaN）快充成为“网红”产品，受到小米、OPPO、魅族等手机厂商的“热捧"。氮化镓在消费电子领域迅速起量的同时，其应用范围也在持续扩展，正向新基建所涉及的5G、数据中心、新能源汽车等领域渗透。新基建将如何赋能氮化镓，我国企业该如何抓住氮化镓的成长契机，利用好市场窗口？

5G可率先打开商用空间

5G对氮化镓的需求增长是非常明显的，5G基站所需的PA，为氮化镓带来了绝佳的市场机遇。

由于氮化镓具备高频率高功率密度、损耗小等优势，射频器件成为氮化镓最有前景的应用领域之一。5G时代，氮化镓将加速渗透基站所需的射频功率放大器（PA）。

集邦咨询指出，由于硅材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等特点，RFCMOS已经不能满足要求。GaN材料凭借高频、高输出功率的优势，将逐步替代SiLDMOS，大幅运用于PA。市场研究机构Yole在报告中指出，5G商用宏基站以64通道的大规模阵列天线为主，单基站PA需求达到192个。2019年全球GaN射频器件市场规模达到5.27亿美元，预计2023年将达到13.24亿美元。

“5G对氮化镓的需求增长是非常明显的，5G基站所需的PA，为氮化镓带来了绝佳的市场机遇。随着硅的性能开发逼近极限，氮化镓替代硅切入更大带宽、更高频率的工作场景，使氮化镓的优势能充分发挥出来，这是一个技术换代带来的市场机会。”苏州能讯高能半导体有限公司董事总经理任勉向《中国电子报》记者表示。

今年3月，工业和信息化部在《关于推动5G加快发展的通知》中指出，将适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划。任勉表示，毫米波基站对射频功率器件的需求，比当前的宏基站市场更为可观，将为氮化镓带来更加庞大的市场增量。

当前，我国企业已经在5G氮化镓射频功率器件有所布局。苏州能讯高能半导体已建成4英寸氮化镓芯片产线，产能达到25000片4英寸氮化镓晶圆，以迎接5G无线通信对氮化镓射频芯片的市场需求。海特高新在5G宏基站的射频GaN已实现突破，在流片工艺上，已可实现代工制造。英诺赛科、赛微电子等企业也在积极开展相关布局。

高效率特性赋能数据中心

在数据中心等高能耗的使用场景下，氮化镓凭借高效率的优势，将带来显著的节能效果。

在电力电子领域，氮化镓充电器的市场热度不减。除了追求高频率、小体积的快充市场，氮化镓在数据中心服务器电源、高端工业配电系统电源等领域也有着应用潜能。

对于数据中心，服务器运行所需的电能往往占据运营成本的“大头”，如何提升能效比成为现代数据中心的关键课题。任勉指出，相对快充等体积敏感的应用领域，服务器电源将更好地发挥氮化镓高效率、低功耗的优势。

“氮化镓最大的特点是功率转化效率高。尤其在数据中心等高能耗的使用场景下，氮化镓凭借高效率的优势，将带来显著的节能效果。”任勉说。

根据数据中心运营商GaNSystems测算，GaN器件用于从AC（交流电）到DC（直流电）的电源转换，以及转换负载的DC电源，可以将整体效率从使用硅器件的77%提高到84%，使数据中心的功率密度增加25%以上，并将单个机架的电力成本降低2300美元以上。

新能源汽车应用进入研发期

目前氮化镓在车规领域的应用还处于初级阶段，但未来几年将呈现递进式的增长。

在车规级市场，同为第三代半导体的碳化硅已经实现应用，但氮化镓还处于研发阶段。

目前，用于新能源汽车的功率器件主要有三个领域：一是电机控制器，用于驱动及控制系统;二是OBC（车载充电器），将交流电转化为可以被新能源汽车动力电池使用的直流电;三是DC一DC直流轉换器，将动力电池的直流电转换为低压直流电，给仪表盘、显示屏、监控系统等车载设备供电。专家表示，以当前的技术水平来看，氮化镓用于DC一DC直流转换器这个细分领域有着较为明显的优势。

安世半导体MOS业务集团大中华区总监李东岳向《中国电子报》记者表示，电动汽车对高效率、高功率密度有着严苛的要求。通过节约零组件对车内空间的占用，让乘坐空间更加舒适。针对高功率密度、强续航能力等需求，目前的硅功率半导体材料器件已经发展到瓶颈期。氮化镓器件的开关速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合电动汽车的需求。

当前，头部厂商对车规氮化镓多处于研发阶段。安世半导体正在研发用于高压DC-DC直流转换器、OBC等车用氮化镓产品;意法半导体看好氮化镓在OBC及48V直流转换器的潜力，并于今年宣布与台积电合作，共同推进氨化镓在汽车电气化领域的应用;纳微半导体在去年路演中表示，其GaNFET相关产品和技术可用于电动汽车和混合动力车的OBC和DC一DC转换器，可以降低能量损耗并提升开关速度，使车辆实现更快的速度和更长的里程。

“车规功率器件的认证，从ASample到BSample到CSample，不管是可靠性还是方案的成熟度，都需要一定的验证时间。目前氮化镓在车规领域的应用还处于初级阶段，但未来几年预计会呈现递进式的增长。”李东岳说。

GaN应用多项挑战待解

市场窗口往往稍纵即逝，一旦市场格局成形，企业再想进入并获得市场主动权，就会比较困难。

虽然氮化镓在多个新基建领域具备应用前景，但其仍处于发展初期，在技术开发、产品验证、市场渗透等方面，还有待进一步催熟和突破。

任勉指出，在5G射频领域，射频的技术壁垒比电力电子高得多。电力电子工艺主要涉及材料、器件设计、前道工艺和后道封测。但射频器件多了一个电磁波的技术维度，涉及射频电路、射频功放以及微波电子等，技术门槛更高。

在车用领域，李东岳表示，主要存在四方面的挑战：一是车用领域的功率要求波动较大，需要在所有工况下，保持器件参数的长期稳定;二是车规功率器件长期处于高振动、高湿度、高温度的工作环境，要求器件在应对热应力和机械应力的过程中有着极高的可靠性;三是车在装备的过程中，在体积重量和制造成本上都有严格的要求，功率器件必须契合汽车装备本身的需要;四是车规器件需要做到15年到20年的使用寿命，技术门槛很高。

对于我国企业该如何利用好5G等新基建领域为氮化镓带来市场机遇，集邦咨询分析师王尊民表示，在5G基站及数据中心服务器等使用场景，相关技术仍受国际大厂控制，因此我国厂商在其中参与的机会比较少。

“目前，我国厂商若要紧随新基建的发展趋势，首先要强化自身的制造与技术研发能力，例如RF通讯、电力传输的制造实力，才会逐步在相关应用领域站稳脚跟。”王尊民说。

任勉指出，面向5G等领域的需求，我国氮化镓相关企业要提前三到五年布局，进行五年左右的技术积累和三年左右的产能建设。

‘市场窗口往往稍纵即逝，一旦市场格局成形，企业再想进人并获得市场主动权，就会比较困难。要提前准备技术、产能、人才，提升布局效率，抓紧时间切人。”任勉说。