GaN開始為人所知是在光電LED市場，廣為人知則是在功率半導(dǎo)體的消費電子快充市場。但實際上，GaN最初在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的目標(biāo)據(jù)說是新能源汽車市場，而非消費電子市場。
“在新能源汽車領(lǐng)域，SiC發(fā)展得早，而GaN并不是發(fā)展得不早，只是一開始應(yīng)用在LED上，抑制了GaN的技術(shù)開發(fā)演進(jìn)。由于技術(shù)上的一些限制，GaN首先在低壓的消費電子快充市場站穩(wěn)了腳跟，再開始隨著車企的導(dǎo)入，逐步打開新能源汽車市場，尤其是在2023年。我認(rèn)為，2023年是真正的GaN應(yīng)用元年”，華燦光電氮化鎵電力電子研發(fā)總監(jiān)邱紹諺坦言。
或許可以說，快充應(yīng)用幫助GaN在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域打開了知名度，而且在短期內(nèi)成為GaN市場規(guī)模增長的最主要驅(qū)動力，但中長期來看，汽車、工業(yè)等應(yīng)用的成長空間顯然更大。
GaN的“風(fēng)火輪”：低壓和中高壓市場
GaN因具有高頻率、高功率密度、體積小等優(yōu)勢，有助于提高充電速度，近年來在手機(jī)、筆電、平板等消費電子市場迅速發(fā)展，產(chǎn)品以650V以下低壓低功率GaN器件為主。
自2019年以來，GaN之風(fēng)席卷了整個消費電子市場，至今仍然是GaN應(yīng)用場景中占比最高的一個細(xì)分市場。短期而言，消費電子市場尚存在一些新的可能性，比如英諾賽科將GaN技術(shù)引入手機(jī)內(nèi)部充電保護(hù)，意味著GaN在消費電子市場還有一些增長的空間。
若放遠(yuǎn)來看，隨著更多廠商的加入以及產(chǎn)品的快速普及，GaN消費電子應(yīng)用領(lǐng)域其實已經(jīng)開始趨于成熟和飽和，市場競爭激烈，未來利潤空間將縮小。據(jù)TrendForce集邦咨詢分析，GaN于低功率消費電子應(yīng)用已進(jìn)入紅海市場。
反觀中高壓應(yīng)用領(lǐng)域，全球氣候變暖、歐洲能源危機(jī)下的節(jié)能減碳計劃，加速了汽車電氣化的進(jìn)程，也推動了光伏儲能等可再生能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來對GaN等符合更高性能要求的功率半導(dǎo)體器件的需求將大幅增長。與此同時，數(shù)據(jù)中心、通訊基站等領(lǐng)域也為GaN提供了市場機(jī)會，GaN產(chǎn)業(yè)鏈目前正在積極展開布局。
近年來，Transphorm、Navitas、GaN Systems、英諾賽科等GaN廠商早已將目光轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)中心、通訊基站等工業(yè)及汽車市場，此外，在歐盟鈦金級能效要求和中國東數(shù)西算工程背景下，數(shù)據(jù)中心電源和服務(wù)器制造商等終端用戶已深刻意識到GaN技術(shù)的重要性。
而GaN自身的能力也在向中高壓應(yīng)用靠攏。目前，中大功率GaN功率器件在性能、可靠性等方面持續(xù)取得新突破，開始隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和成本的有效控制，走向新能源汽車、儲能、數(shù)據(jù)中心、戶用微型逆變器、通訊基站等中大功率市場。
以新能源汽車應(yīng)用為例，盡管“上車”速度慢于SiC，但在車企和GaN供應(yīng)鏈廠商的積極導(dǎo)入下，GaN將在汽車650V這一應(yīng)用中與SiC形成有力的競爭，如DC-DC轉(zhuǎn)換器。不僅如此，Transphorm去年已發(fā)布更高壓的1200V GaN功率器件，未來有望沖擊1200V SiC在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的部分市場份額。
在此背景下，TrendForce集邦咨詢預(yù)計，2023年GaN功率元件將在這些中大功率領(lǐng)域大規(guī)模釋放，預(yù)估2022到2026年GaN功率元件市場規(guī)模年復(fù)合增長率將達(dá)到61%。
GaN器件特性影響因素：外延結(jié)構(gòu)
技術(shù)和成本是決定大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵。無論是汽車還是工業(yè)應(yīng)用，對器件可靠性有著嚴(yán)苛的要求，而這也是目前限制GaN落地應(yīng)用的主要影響因素。目前，GaN在中高壓功率半導(dǎo)體市場還處于產(chǎn)品驗證階段，實際應(yīng)用案例仍在少數(shù)。
在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，GaN器件特性由外延結(jié)構(gòu)決定，器件的可靠性則與材料質(zhì)量緊密相關(guān)。而目前，GaN襯底仍在開發(fā)中，市場上尚未有成熟的GaN襯底，只能使用硅和藍(lán)寶石等異質(zhì)接面襯底，這些會造成晶格失配等問題，從而導(dǎo)致GaN器件特性不佳。
現(xiàn)階段，GaN外延主要有兩種結(jié)構(gòu)：D-Mode（耗盡型）和E-Mode（增強(qiáng)型）。
D-Mode結(jié)構(gòu)相對容易制備，制造成本較低，可以實現(xiàn)較高的開關(guān)速度（與硅基功率晶體比較）和更低的電流漏失，適用于中高功率和高頻率應(yīng)用。E-Mode結(jié)構(gòu)制造成本較高，具有較低的靜態(tài)功耗和較好的開關(guān)特性，可以實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和較低的電流漏失。兩種結(jié)構(gòu)晶格與襯底之間的晶格常數(shù)存在較大的失配，導(dǎo)致了較高的雜質(zhì)密度和缺陷密度，但這種結(jié)構(gòu)形成的雜質(zhì)態(tài)和缺陷可以通過合適的摻雜和工藝優(yōu)化來減小。
從結(jié)構(gòu)方向來看，GaN外延主要有水平和垂直兩種結(jié)構(gòu)。
水平結(jié)構(gòu)具有較低的電容、導(dǎo)通電阻及開關(guān)損耗，工藝較為簡單。但水平結(jié)構(gòu)存在電流崩塌的現(xiàn)象，導(dǎo)致GaN器件電流承受能力下降，限制了其高功率和高頻率應(yīng)用的性能。據(jù)邱紹諺介紹，功率半導(dǎo)體器件中，導(dǎo)通電阻與崩潰電壓強(qiáng)相關(guān)系。其中，崩潰電壓與外延片厚度成正比。水平式結(jié)構(gòu)氮化鎵器件除了厚度外，加上長板結(jié)構(gòu)可提升器件特性。
垂直結(jié)構(gòu)中具有較大的電流且不存在電流崩塌的現(xiàn)象，可以實現(xiàn)較低的電阻，從而提供更好的功率性能。另外，垂直結(jié)構(gòu)的氣體放電電容較大，在高功率操作時具有更好的擊穿能力和可靠性。不過，目前垂直結(jié)構(gòu)工藝較復(fù)雜，器件成本較高。而且，襯底質(zhì)量及晶圓尺寸（2-4英寸）方面受限。
華燦光電的解決思路：優(yōu)化GaN外延結(jié)構(gòu)和工藝
在GaN領(lǐng)域，華燦光電正在借助LED芯片領(lǐng)域的技術(shù)儲備和工藝經(jīng)驗，從消費電子市場開始滲透，逐步走向汽車、工業(yè)等中大功率電力電子市場。
據(jù)介紹，華燦光電擁有一條GaN實驗研發(fā)線，覆蓋外延生長設(shè)備到工藝中的設(shè)備，可以實現(xiàn)從外延到芯片的流水，預(yù)計今年可實現(xiàn)GaN外延片3萬片的生產(chǎn)能力。
針對GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)，華燦光電已實現(xiàn)在6/8英寸硅襯底上無裂紋HEMT外延的優(yōu)化，在表面粗糙度和厚度一致性已達(dá)到理想的水準(zhǔn)。同時，華燦光電也完成了D-Mode和E-Mode的工藝開發(fā)，目前可實現(xiàn)較好的器件結(jié)果和性能參數(shù)。據(jù)稱，華燦光電GaN外延的閾值電壓、耐壓、柵壓容限等靜態(tài)參數(shù)均可對標(biāo)國內(nèi)外的產(chǎn)品。
產(chǎn)品方面，華燦光電已開發(fā)豐富的650V系列產(chǎn)品，覆蓋不同的電壓和電流范圍，適配多種封裝方式，可匹配手機(jī)快充、電腦適配器、服務(wù)器電源、光伏逆變器等不同場景的需求。
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面對蓄勢待發(fā)的中大功率應(yīng)用市場，華燦光電也有了清晰的計劃。一方面，華燦光電將從650V逐步往900V、1200V方向跨越，另一方面則從HEMT分離式器件到整合集成展開布局，多維度發(fā)力以打開更廣闊的GaN中大功率電力電子市場。（文：集邦化合物半導(dǎo)體Jenny）
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