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紧跟94%年增长率的GaN功率市场,看华灿光电布局最新进展

时间:2021-12-28 09:45:05 作者:吴清珍(Amy Wu) 阅读:
作为宽禁带半导体的GaN材料已经被研究多年,尤其在上世纪90年代的蓝光LED方面得到大力发展,引起业界广泛关注。GaN材料的一大应用是包括新型显示Mini/Micro LED领域在内的LED领域,另外一个就是在GaN电力电子器件领域,该文解析GaN材料在功率器件上的技术路线与市场应用。
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作为宽禁带半导体的GaN材料已经被研究多年,尤其在上世纪90年代的蓝光LED方面得到大力发展,引起业界广泛关注。GaN材料的一大应用是包括新型显示Mini/Micro LED领域在内的LED领域,另外一个就是在GaN电力电子器件领域(电力电子器件又称“功率半导体器件”)。

目前GaN功率器件的发展还处于初期阶段,主要被应用在AC/DC、DC/DC电源转换中。市场驱动力主要来自消费电子,通过消费电子市场的过渡,来反复验证它的可靠性,再进一步推向工业级以及车规级市场。

在消费电子市场上,Navitas稳居该市场第一大供应商,凭借特色GaN Fast Power ICs设计方案和良好供应链合作关系,与全球顶级手机OEM厂商及PC设备制造商展开合作,包括戴尔、联想、小米、OPPO等。老牌电源芯片厂PI则通过收购Velox并利用其GaN-on-Sapphire技术进入该市场。国内厂商英诺赛科今年高低压产品出货量大幅增加,另外专注于低压器件的EPC公司发展也不错。【相关内容参考:第三代半导体迎来融资热潮,SiC/GaN赛道在“争”什么?】

苹果一直引领科技潮流,今年推出全新首款氮化镓140W USB-C快充充电器,其实也意味GaN技术经过长期在快充上的应用,其可靠性已经通过市场验证,是GaN快充发展历程中一个重要的里程碑。

在日前由TrendForce集邦咨询主办的“化合物半导体新应用前瞻分析会”上,电子工程专辑出席现场,据华灿光电副总裁王江波透过Yole的数据指出,“未来3-5年GaN功率器件将在电动汽车、数据中心、自动驾驶、人工智能等应用中获得较快的发展”

集邦咨询预测,全球GaN功率市场规模将从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元,年增长率高达94%。除了消费电子外,很大应用的产品主要在新能源汽车、电信以及数据中心。预计近两年GaN将小批量渗透到低功率OBC、DC-DC中。

GaN功率器件技术路线与热门应用

该文以GaN材料在功率器件上的技术路线与市场应用作解析。

GaN材料在功率器件上的应用,实际上是通过逆变、升压、降压、变频、变相等等手段把粗电变成细电。市场对功率器件提出的新要求,刚好能匹配GaN技术方面的优势,比如在能源管理上,包括尺寸、转换效率、灵敏度上等要求。

GaN功率器件的技术路线和应用主要有以下两种:一是D-Mode(耗电型)HEMT的技术路线,二是增强型E-Mode GaN基HEMT方案,王江波表示,“各大厂商对此也有不同的探索”

正因GaN材料在功率器件上的优势,市场对它的预测非常乐观,从快充应用到数据中心、电动汽车等领域均有非常快速的发展。目前,GaN功率器件主要集中在消费电子快充市场,预计未来4年内的渗透率将达到75%。    

同时在数据中心应用上,工业电源需要在各种负载系全天候的保持安全、高效、稳定。如何实现更小、更快、更轻的系统,同时降低总体系统的成本,将会是未来需求的一个方向。通过GaN HEMT的前级电路和后级的LLC谐振,可以实现大于90%的能量转换,GaN HEMT可以促使系统全负载的情况下达到钛金级的使用标准。

GaN功率器件在电动汽车的应用,尤其是OBC的应用,相对硅的材料来讲,GaN可以把功率密度提升5倍,功耗降低3倍,这样就让它未来做得更轻巧、更集成,提供了一种新的可能性。

GaN功率器件在无人驾驶的雷达传感器应用上也颇受关注。无人驾驶需要在汽车的周围不断地发射高频的信号,同时去收集返回来的信号,在解码和编码过程中,更短的脉冲就意味着更高的分辨率、更快的测量、更好的计算。HEMT具有优越的栅极MOM,对于给定的峰值电流能力,有着开关速度更快,实现在更远的距离内产生更高的图像分辨率,因此在雷达的应用当中也体现出自身优势。

当然GaN 电力电子器件还存在一些问题,王江波表示,“这张表主要是跟硅的MOSFET和碳化硅的MOSFET做了对比,从阈值电压、Vgs,高温下的漏电、电流崩塌等等,还需要一些解决。目前也存在一些解决的方案,包括凹槽栅的方案,MOS的方案,都需要实现更高的电压,有更大的极限,简化驱动电路,我们也看到有很多厂家都在做这方面的布局。”

华灿光电布局GaN功率器件规划

华灿光电于2020年已进入GaN功率器件领域,产品将向消费电子快充、数据中心、电动汽车、通信等市场领域拓展。

图注:华灿光电副总裁王江波

王江波表示,华灿光电自2005年成立起即深耕GaN材料领域,主要针对蓝光、绿光等照明显示应用,目前,华灿光电已实现了6英寸、8英寸GaN电力电子器件外延优化,6英寸硅基GaN 电力电子器件工艺已通线,器件性能参数良好。100mm栅宽D-Mode器件静态参数已达标(对标国际市场)。预计2022年底推出650V cascode产品,2023年具备批量生产和代工能力。

光电器件注重发光亮度、颜色控制等方面的诉求,电力电子器件则更多的是考量电性参数,它们对材料和工艺的要求不同。“华灿光电的技术专长是外延材料的生长以及芯片工艺的制备,在电力电子器件领域,这些技术与光电器件有相通性。”

王江波表示,从技术和方案的成熟度、市场的接受度来看,率先切入快充市场相对来说更容易。华灿光电针对数据中心、电动汽车等领域也在提前布局,以期未来顺利切入。

  • 写的真好
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吴清珍(Amy Wu)
电子工程专辑(EETimes China)资深研究员,欢迎交流。
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