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(fā)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(guī)格從最初的 5W，到現(xiàn)在早已超過百瓦。

這就是氮化鎵材料帶來的行業(yè)革新。發(fā)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(yōu)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(fā)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(yōu)勢，氮化鎵充電器的運行速度，比傳統(tǒng)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(yōu)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(yè)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(xiàn)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(fā)生翻天覆地變化的原因，氮化鎵帶來的優(yōu)勢過于巨大，一時間快充市場規(guī)模迅速增長，同時也加速了各路行業(yè)與廠商的內卷。


氮化鎵器件有望持續(xù)放量

第三代半導體材料憑借其優(yōu)越性、實用性和戰(zhàn)略性，被許多發(fā)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(fā)展主流。

氮化鎵產業(yè)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(tǒng)和應用。從各環(huán)節(jié)來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術積累、專利申請數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對優(yōu)勢。

我國在自主替代大趨勢下，目前在氮化鎵產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)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(yè)結構相對聚焦中游，多家國內企業(yè)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(yè)，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(yōu)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(yōu)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(wěn)了腳跟，成為主要驅動力。未來，隨著下游新應用規(guī)模爆發(fā)，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(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)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(yōu)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(yè)的不斷研究，氮化鎵技術在成本、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(shù)據(jù)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(yōu)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(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，以及減少電源轉換系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)公司，以進一步增強英飛凌在功率系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)領域短期內應該不會有競爭產生。據(jù)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。