新闻资讯

【氮化镓专栏】5G助力下,氮化镓(GaN)是否会成为下一个市场追逐的风口?

2020-11-06 18:21:04 小亿 579

由于2 月13 日小米在新品发表会中,除了推出小米10 系列外,更宣布采用氮化镓(GaN) 作为原料的充电器,一时间原本GaN 在射频领域热烧的话题,快速延烧至电池产业。

随着消费电子产品、电动车、家用电器等产品更新换代,产品的性能也越来越受重视,尤其是在功率设计方面。如何提升电源转换能效,提高功率密度水平,延长电池续航时间,成为了新一代电子产品面临的最大挑战。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

在这样的背景下,一种新型的功率半导体——氮化镓(GaN)的出现,或许会成为未来电子产业的“香饽饽”。

一、蛰伏20年的第三代半导体材料GaN

上个月刚结束的小米10发布会上,和小米10一同火起来的,还有小米创始人雷军着重介绍额65W小米GaN充电器。雷军夸其为“实在太方便了!”新品火起来的同时,还引起投资人对于第三代半导体的广泛关注。

了解GaN之前,首先我们要弄清楚关于半导体材料的一些知识。

半导体材料历经 3 个发展阶段,第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料;第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料,以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表;第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

目前全球绝大多数半导体元件,都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体,不过,在高电压功率元件应用上,硅基元件因导通电阻过大,往往造成电能大量损耗,且在高频工作环境下,硅元件的切换频率相对较低,性能不如宽频化合物半导体材料。

硅基半导体受限硅材料的物理性质,而氮化镓、碳化硅则因导通电阻远小于硅基材料,导通损失、切换损失降低,可带来更高的能源转换效率。挟著高频、高压等优势,加上导电性、散热性佳,元件体积也较小,适合功率半导体应用,近来在 5G、电动车等需求推升下,氮化镓等材料崛起成为半导体材料明日之星。

不过,其实氮化镓材料广为人知,是始于 LED 领域,1993 年时,日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓 (InGaN),开发出具高亮度的蓝光 LED,人类也因此凑齐可发出三原色光的 LED。梳理具体详情如下:

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)等元素的材料,常用在信息技术中的分立器件和集成电路中,电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程等产业中都得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;以及有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面,根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域。在本文中重点介绍的GaN,并不存在于自然界,只能在实验室中制成。具有带隙宽、原子键强、导热率高、化学性能稳定、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用等方面有着广阔的应用前景。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

在1998年,美国研制出GaN晶体管,资料显示,GaN在室温下带隙为3.49eV(电子伏特)。一般来说,带隙就是指禁带宽度,是半导体材料的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构。

若禁带宽度Eg< 2.3eV,则称为窄禁带半导体,如Ge、Si、GaAs以及InP;若禁带宽度Eg>2.3eV则称为宽禁带半导体,如SiC、GaN、HSiC、AlN以及ALGaN等。

由于宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

以GaN为例,熔点高达1700℃。有人曾做过实验,在一般高温情况下,GaN不会发生分解反应,只有将其放置于氮气或氦气中且温度超过1000℃时GaN才会慢慢挥发,证明GaN可以在较高的温度下保持其稳定性。这也是为什么GaN能被广泛运用在大功率半导体中的原因。

二、GaN产业链及市场规模

与SiC产业链类似,GaN产业链可依次分为GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造。从国内外GaN产业发展来看,美国、日本成为GaN产业发展的佼佼者,中国企业入局者则为数不多。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

因为材料特性的差异,硅在高于1200V 的高电压、大功率具有优势,而GaN 制的产品更适合40~1200V 的应用,特别是在600V/3KW 能发挥最大优势。因此,在伺服器、马达驱动、UPS 等领域,GaN 可以挑战传统MOSFET 或IGBT 的地位。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元,CAGR达85%,当中,GaN快充是推动产业高成长的主要力量。此外,GaN还有望渗透进入汽车及工业和电信电源应用中。

从生产端来看,GaN 功率半导体已开始少量出货,但由于其价格过于昂贵,是影响现阶段发展受限的主要因素。价格不亲民是因为目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圆厂生产为主,尚未显现规模效应,若未来成本能再大幅下降,市场需求就会爆发。

在GaN功率领域中,市场主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm,及Navitas等公司主导,其产品是由TSMC,Episil、X-FAB进行代工。中国新兴代工厂中,三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力。

虽然GaN 有着许多优势,但因为产品价格偏高,这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业,GaN 零组件对其有极大的吸引力。

不过,从意法半导体与台积电之间的合作可以看出,在5G 世代中,GaN 已经是不可缺少的重要原料,特别是在车电领域(与手机等消费性电子相比,价格敏感度低),将是国际大厂抢进重点领域之一。

非常值得一提的是,在射频领域,氮化镓射频器件适合高频高功率场景,是5G时代的绝佳产品,将替代Si基芯片,应用在5G基站、卫星通信、军用雷达等场景。

在政治局会议多次点名之下,5G基站的建设迎来高峰,相应的各种射频器件、芯片数量和质量都在提升,市场需求旺盛。氮化镓工艺正在逐步占领市场,已经势不可挡。拓璞产业研究院预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰,达到112.6亿元。

再加上卫星通信、军用雷达的市场,据预测GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元。

三、GaN产业应用前景

GaN 目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域。具体而言,微波射频包含5G 通讯、雷达预警、卫星通讯等应用;电力则包含智慧电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等。

快充产品领域:GaN材料应用范围广泛,最为人熟知的就是在快充产品领域。最初快充出现的时候还并不被大伙所看好,总感觉这么短时间内充满一块电池,担心电池爆炸。随着快充逐渐升级为超级快充,充电时间越来越短,对于电池安全的隐忧虽然没有彻底放下,但人们也越来越愿意接受。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

新型的GaN快充与传统快充相比,由于GaN的材料特性能提供更高的能量转化效率,降低了功耗,减小了充电时的发热问题;GaN充电器拥有更大的功率密度,能够实现更快的充电速度;此外,GaN充电器功率器件的开关频率显著高于传统快充中的Si功率器件,因此可以实现体积更小的充电器产品设计。

今年2月,小米发布新品,其中65W GaN充电器成为一大亮点。

这款充电器易散热、充电快(比iphone原装快50%,从0到100%的电量只需45分钟)、体积小(比常规充电器小了50%),且售价只要149元,性价比较高。3天预约就超5万,一时间,这一黑科技产品站上了风口,氮化镓也因此引发市场的强烈关注。

不过这并不是第一款氮化镓充电器,早在去年四季度,OPPO就发布了全球首款65W GaN充电器。两家大厂相继布局,意味着技术已经进一步成熟。

而且,氮化镓充电器并不仅仅用于手机充电。更小、更便捷的GaN充电器是解放笔记本的一大利器。未来,笔记本、新能源车或许都会用到氮化镓充电器。

电动汽车、光伏等功率半导体领域:目前电动汽车、光伏、智能电网等领域使用的IGBT是硅基材料,如果未来氮化镓技术取得突破,从而渗透进IGBT半导体领域,那么将进一步打开氮化镓市场的天花板。

照明领域:半导体照明是目前国内外非常受人瞩目的一种新型的高效、节能和环保光源,它将取代大部分传统光源,又被称为21世纪的能源革命.GaN能和NIn、NAl相互掺杂改变III族元素的比例,从而能使其发光波长覆盖从红光到紫外光的范围,由此达到更高效率、高亮度的光源方面的应用。

电力:在600 伏特左右电压下,GaN 在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的优势,这使GaN 材料的电源产品可更为轻薄、高效率,且GaN 充电插头体积小、功率高、支援PD 协定,有机会在未来统一NB 和手机的充电器市场。

射频领域:

GaN 的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点,能有效在5G 世代中节省PCB 的空间,特别是手机内部空间上,且能达到良好的功耗控制。

在5G产品中,GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元,CAGR达21%,这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动,而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

在要求高频高功率输出的卫星通讯中,市场预估GaN 将逐渐取代GaAs 成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS 或GaAs 材料相比,GaN 的成本仍高,短期内大量取代的情况不易见。

在GaN 射频领域主要由美、日两国企业主导,其中,以美商Cree 居首,住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后,中国厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨,但与国际大厂相比技术差距大。

5G射频领域重点发力:

随着5G技术的爆发,相关产业对射频功率、功耗的要求进一步提升,GaN将逐渐取代Si材料。在相控阵雷达、电子对抗战、精确制导等军事化场景中,GaN的运用也越来越广泛。

市场研究和战略咨询公司Yole曾经表示,2018年GaN射频器件市场规模达到4.57亿美元,未来5年复合增长率超过23%。在整个射频应用市场,GaN器件的市场份额将逐渐提高。长期来看,在宏基站和回传领域,凭借高频高功率的性能优势,GaN将逐渐取代LDMOS和GaAs从而占据主导位。

GaN 是极为稳定的化合物,又是坚硬和熔点高的材料,其熔点为高达1700℃。同时,GaN 有较高的电子密度和电子速度,其高电离度,也是在三五族化合物中最高的,因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

四、还存在哪些缺点?

虽然GaN相比于Si等材料更节能、更快,具备更好的恢复特性,但是仍然谈不上彻底取代。由于若干原因,GaN并不常用于晶体管中,因为GaN器件通常是耗尽型器件,当栅极 - 源极电压为零时它们会产生导通,这是一个问题。

其次,GaN器件极性太大,难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触,这是GaN器件制造中的一个难题,现在最好的解决办法就是采用异质结,首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些,然后再采用高掺杂来实现欧姆接触,但这种工艺很复杂。

五、氮化镓代工争夺战开始

苹果 iPhone X 採用 3D 感测技术后,半导体材料砷化镓因 VCSEL 等应用而声名大噪,近来随著 5G、电动车等新应用兴起,对功率半导体需求增温,新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势,快速攫获市场目光;以中国台湾企业为代表的代工企业继站稳硅晶圆代工、砷化镓晶圆代工龙头地位后,也积极抢进氮化镓领域,力拚再拿代工龙头宝座。

LED 领域发光发热后,近来受惠 5G、电动车应用推升,对高频率、高功率元件需求成长,市场对氮化镓的讨论声浪再度高涨。氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间,具备低导通电阻、高频率等优势,可在高温、高电压环境下运作,但主要优势仍在于高频率元件,在高压与高功率表现上,虽优于硅基材料,但不如碳化硅材料表现亮眼。

从应用面来看,氮化镓应用包括变频器、变压器与无线充电,为国防、雷达、卫星通讯与无线通讯基地站等无线通讯设备的理想功率放大元件。

由于 5G 技术采用更高的操作频率,业界看好,GaN 元件将逐步取代横向扩散金氧半导体 (LDMOS),成为 5G 基站主流技术;且在手机功率放大器 (PA) 方面,因 GaN 材料具备高频优势,未来也可望取代砷化镓製程,成为市场主流。

现行的 GaN 功率元件,以 GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)2 种晶圆为主,虽然 GaN-on-SiC 性能相对较佳,但价格大幅高于 GaN-on-Si,也使 GaN-on-Si 仍为目前市场主流,主要应用于电力电子领域,未来可望大幅导入 5G 基地台的功率放大器 (PA)。

看准庞大需求 晶圆代工厂积极抢进

看准了氮化镓这个机会,中国厂商正在积极推进。首先从台厂进度来看,磊晶硅晶圆厂嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圆,已进入国际 IDM 厂认证阶段,并争取新订单中;而同属汉磊投控 集团的晶圆代工厂汉磊科,则已量产 6 吋 GaN on Si 晶圆代工,瞄准车用需求;晶圆代工龙头台积电 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圆代工服务。

亿思腾达(EASTWAY))—国家高新技术企业&中国电源与感应芯片集成服务领导品牌

至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圆,则在散热性能上具优势,适合高温、高频操作环境,主要应用在功率半导体的车用、工业与消费型电子元件领域,少量应用于通讯射频领域。目前 GaN-on-SiC 晶圆可做到 4 吋与 6 吋,未来可望朝 8 吋推进,惟磊晶技术主要集中在碳化硅晶圆大厂 Cree 手中,其在 SiC 晶圆市占率高达 6 成之多,几乎独霸市场。

不过,在晶圆代工产能方面,三五族半导体晶圆代工厂稳懋 已开始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工服务,应用瞄准高功率 PA 及天线;而环宇 - KY也拥有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 产能,且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证。

晶圆代工厂世界先进也在 GaN 材料上投资超过 4 年时间,持续与设备材料厂 Kyma、及转投资 GaN 硅基板厂 Qromis 携手合作,著眼开发可做到 8 吋的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST,今年可望有小量样品送样,初期主要瞄准电源领域应用。

5G 应用推升氮化镓材料需求,而除站稳硅晶圆代工龙头、砷化镓晶圆代工龙头宝座外,台厂在第三代半导体材料上,当然也不能缺席,包括硅晶圆代工厂、三五族半导体晶圆代工厂,均积极佈局氮化镓领域,以迎接 5G 时代下的半导体材料新革命。

小结

欧美等国家正在持续加大第三代半导体领域研发支持力度,以GaN、SiC为首的第三代半导体材料被广泛应用,是半导体以及下游电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口。

近年来,国内第三代半导体产业稳步发展,但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距,第三代半导体产业本土化、高端化的需求依然紧迫。

氮化镓(GaN),疫情中爆炸式增长的大机会,亿思腾达大力看好的新兴产品!欢迎行业的朋友和企业家们合作,欢迎加盟到亿思腾达的氮化镓项目中,共创伟业!

注明:本文转载自半导体观察,仅供学习交流使用,涉及侵权请联系我们删除!


亿思腾达简介:


深圳亿思腾达集成股份有限公司成立于1998年,作为国家高新技术企业&中国电源与传感芯片集成服务商,专注电源管理和传感芯片集成服务20年,立足于多种自主研发的智能传感方案、特色照明方案,提供量产落地支持、核心器件供应、特色模组供应等商务模式,力求为客户提供优质全面的IC解决方案,帮助人们创造安全、节能、美好的高科技产品,实现亿思腾达让电子产品AI起来。


标签:   亿思腾达 EASTWAY GaN 氮化镓充电器 高密度电源 GaN品牌芯片