根據韓國媒體 BusinessKorea 報導，三星電子即將進軍氮化鎵 （GaN）市場，目的是為了滿足汽車領域對功率半導體的需求。

三星電子近期在韓國、美國舉辦的“2023三星晶圓代工論壇”活動宣布，將在2025年起，為消費級、資料中心和汽車應用提供8寸氮化鎵晶圓代工服務。

據悉，氮化鎵因具備寬禁帶、高頻率、低損耗、抗輻射強等優勢，可以滿足各種應用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。當前，氮化鎵的應用已經不再局限于快充等消費電子市場，而是向數據中心、可再生能源甚至新能源汽車市場持續推進。到2026年，全球GaN功率元件市場規模將從2022年的1.8億美金成長到13.3億美金，復合增長率高達65%。

面對強大的市場需求，眾多半導體廠商開始擴充生產線，布局氮化鎵市場。


1、氮化鎵和碳化硅的競爭領域

在高壓功率晶體管市場，氮化鎵器件在400伏左右以下的應用中占據主導地位，而碳化硅現在在800伏及以上的應用中具有優勢（2000伏左右以上的市場相對較小）。隨著GaN器件的改進，400至1,000V之間的重要戰場格局將發生變化。例如，隨著1,200V GaN晶體管的推出（預計在2025年推出），電動汽車逆變器這個最重要的市場將加入這場戰斗。

SiC和GaN將大大減少排放。根據2007年創立的GaN器件公司Transphorm對公開數據的分析，到2041年，僅基于GaN的技術就可以在美國和印度減少超過10億噸的溫室氣體排放。數據來自國際能源署、Statista 和其他來源。相同的分析表明可節省1,400太瓦時的能源，即兩國當年預計能源消耗的10%至15%。


2、GaN 與 SiC的競爭

考慮到這些相對優勢和劣勢，讓我們逐一考慮各個應用程序，并闡明事情可能如何發展。


電動汽車逆變器和轉換器

特斯拉在2017年為其Model 3的車載或牽引逆變器采用SiC，這是該半導體的早期重大勝利。在電動汽車中，牽引逆變器將電池的直流電轉換為電機的交流電。逆變器還通過改變交流電的頻率來控制電機的速度。據新聞報道，如今，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors也在其逆變器中使用SiC，其他電動汽車制造商也計劃在即將推出的車型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供應。EV牽引逆變器的功率范圍通常從小型EV的約35kW到100kW到大型車輛的約400kW。

然而，將這場競賽稱為SiC還為時過早。正如我所指出的，要打入這個市場，GaN供應商必須提供1,200-V的器件。電動汽車電氣系統現在通常僅在400伏電壓下運行，但保時捷Taycan擁有800伏系統，奧迪、現代和起亞的電動汽車也是如此。預計其他汽車制造商將在未來幾年效仿。（Lucid Air有一個 900-V系統。）我希望在2025年看到第一個商用1,200-V GaN晶體管。這些設備不僅將用于車輛，還將用于高速公共EV充電器。

GaN可能實現的更高開關速度將成為EV逆變器的一個強大優勢，因為這些開關采用了所謂的硬開關技術。在這里，提高性能的方法是非常快速地從打開切換到關閉，以最大限度地減少設備保持高電壓 和通過高電流的時間。

除逆變器外，電動汽車通常還配備車載充電器，可通過將交流電轉換為直流電，利用壁（市電）電流為車輛充電。在這里，GaN再次非常有吸引力，原因與使其成為逆變器的理想選擇的原因相同。

電網應用

至少在未來十年內，用于額定電壓為3kV或更高的設備的超高壓電源轉換仍將是SiC的領域。這些應用包括有助于穩定電網、將交流電轉換為直流電并在傳輸級電壓下再次轉換回來的系統，以及其他用途。


手機、平板電腦和筆記本電腦充電器

從2019年開始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基于GaN的壁式充電器。

GaN的高開關速度及其普遍較低的成本使其成為低功率市場（25至500W）的主導者，在這些市場中，這些因素以及小尺寸和穩健的供應鏈至關重要。這些早期的GaN功率轉換器具有高達300kHz的開關頻率和超過92%的效率。他們創造了功率密度記錄，數字高達每立方英寸30W（1.83W/cmm3）——大約是他們正在更換的硅基充電器密度的兩倍。

自動化探針系統施加高壓以對晶圓上的功率晶體管進行壓力測試。自動化系統可在幾分鐘內測試大約500個裸片中的每一個。


太陽能微型逆變器

近年來，太陽能發電在電網規模和分布式（家庭）應用中都取得了成功。對于每個安裝，都需要一個逆變器將太陽能電池板的直流電轉換為交流電，為家庭供電或將電能釋放到電網。今天，電網規模的光伏逆變器是硅 IGBT和SiC MOSFET的領域。但GaN將開始進軍分布式太陽能市場，尤其是。

傳統上，在這些分布式安裝中，所有太陽能電池板都有一個逆變器箱。但越來越多的安裝人員更喜歡這樣的系統，其中每個面板都有一個單獨的微型逆變器，并且在為房屋供電或為電網供電之前將交流電組合起來。這樣的設置意味著系統可以監控每個面板的操作，以優化整個陣列的性能。

微型逆變器或傳統逆變器系統對現代數據中心至關重要。再加上電池，他們創造了一個不間斷的電源，以防止停電。此外，所有數據中心都使用功率因數校正電路，調整電源的交流波形以提高效率并消除可能損壞設備的特性。對于這些，GaN提供了一種低損耗且經濟的解決方案，正在慢慢取代硅。


5G和6G基站

GaN的卓越速度和高功率密度將使其能夠贏得并最終主導微波領域的應用，尤其是5G和6G無線以及商業和軍用雷達。這里的主要競爭是硅LDMOS器件陣列，它們更便宜但性能較低。事實上，GaN在4GHz及以上的頻率上沒有真正的競爭對手。

對于5G和6G無線，關鍵參數是帶寬，因為它決定了硬件可以有效傳輸多少信息。下一代5G系統將擁有近1GHz的帶寬，可實現超快的視頻和其他應用。

使用絕緣體上硅技術的微波通信系統提供了一種使用高頻硅器件的5G+解決方案，其中每個器件的低輸出功率都通過大量陣列來克服。GaN和硅將在這個領域共存一段時間。特定應用程序的贏家將取決于系統架構、成本和性能之間的權衡。


雷達

美國軍方正在部署許多基于GaN電子設備的地面雷達系統。其中包括由 Northrup-Grumman 為美國海軍陸戰隊建造的地面/空中任務導向雷達和有源電子掃描陣列雷達。雷神公司的SPY6雷達已交付給美國海軍，并于2022年12月進行了首次海上測試。該系統大大擴展了艦載雷達的范圍和靈敏度。


寬帶隙之戰才剛剛開始

如今，SiC在EV逆變器中占據主導地位，而且通常在電壓阻斷能力和功率處理能力至關重要且頻率較低的地方。GaN是高頻性能至關重要的首選技術，例如5G和6G基站，以及雷達和高頻功率轉換應用，例如墻上插頭適配器、微型逆變器和電源。

但GaN和SiC之間的拉鋸戰才剛剛開始。無論競爭如何，一個應用一個應用，一個市場一個市場，我們可以肯定地說，地球環境將成為贏家。隨著這一技術更新和復興的新周期勢不可擋地向前發展，未來幾年將避免數十億噸溫室氣體排放。


3、驅動氮化鎵性能再升級

除了龐大的消費電子市場，數據中心、汽車電子、新能源領域在AI、通信、自動駕駛、儲能等新技術的推動下，形成了氮化鎵相關器件的需求趨勢，機構分析指出，英飛凌收購GaN Systems正體現了GaN在汽車、數據中心、工業等應用領域的未來發展前景。據了解，國內頭部車企已經率先將英諾賽科氮化鎵用于車載激光雷達產品上，并實現量產。

數據中心早已對氮化鎵趨之若鶩。一方面，在PUE逐漸成為新數據中心建設、舊數據中心改建的硬性指標后，基于氮化鎵的服務器電源在實現更高功率密度的同時，更容易做到鈦金級別的能效。另一方面，與汽車48V汽車系統一樣，數據中心供電架構也面臨轉變。對于云服務廠商來說，48V DC/DC轉換器帶來的體積優勢，將進一步為數據中心降本增效。在今年三月份展會現場，英諾賽科對全鏈路氮化鎵數據中心解決方案做了全面介紹，并在現場展示采用InnoGaN 設計的全套方案，包括鈦金級2KW PSU，48V-12V 600W/1000W 電源模塊等，據介紹，全鏈路氮化鎵方案能夠幫助數據中心供電系統減少50%的損耗。

隨著氮化鎵技術的不斷升級和迭代，各廠商的氮化鎵產品也逐漸豐富起來，而新市場、新領域的應用需求也對氮化鎵的性能、產能及成本提出了更高的要求。以英飛凌、英諾賽科、安世半導體為代表的氮化鎵IDM企業或將成為供應主力。但英飛凌、安世半導體等仍停留在6英寸規模。英諾賽科是全球唯一一家8英寸硅基氮化鎵IDM廠商，當前產能可達到每月10000片，相比之下，其產品在規模化量產和性價比方面優勢更為明顯，集設計、研發、生產、銷售于一體，也更能實現產品快速迭代，加速實現氮化鎵行業生態的構建。