氮化镓（GaN）功率半导体之预测

前言

氮化镓（GaN）是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。由于具有更高的击穿强度、更快的开关速度，更高的热导率和更低的导通电阻，氮化镓基功率器件明显比硅基器件更优越。

氮化镓晶体可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生长氮化镓（GaN）外延层可以使用现有的硅制造基础设施，从而无需使用高成本的特定生产设施，而且以低成本采用大直径的硅晶片。

GaN power semiconductor 2023 predictions一文有所论述，2023年对氮化镓（GaN）系统的预测，囊括了功率半导体的供应链对数据中心和新能源汽车与日俱增的可持续性监管。该文表示我们正处于功率氮化镓（GaN）技术的转折点，随着电动化大趋势的到来和越来越多的包含半导体产品的出现，经济的赢家和输家主要取决于那些能够更好管理其供应链的人，这些供应链不仅能够为企业和消费者生产现有产品，还能在不久的将来点燃创新之火。

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供应链提振

GaN Systems预测，到2023年，全球半导体供应链将致力于在工程设计和制造方面发展美国和欧洲的大量业务。半导体供应链业务的增长意味着美国接受国家战略性半导体政策——而不是出于政治上的便利。The CHIPS and Science Act有望在未来四年内促进美国半导体行业的地域多元化。他们将提供527 亿美元的赠款、贷款和税收抵免形势推动对设计、铸造和制造设施的投资。大型芯片制造商在美国建造的每个新制造的芯片组装工厂都会获得高达 2.5 至 3 亿美元的资金补助。

为了加速下一代芯片的设计和生产，The E.U. Chips Act中的广泛投资计划将侧重于提高生产能力以及提高识别和应对半导体供应危机的能力。其中最重要的是，The E.U. Chips Act旨在加强欧洲的研究和技术领导地位，其中包括实现长期经济增长和社会目标所需的能力和控制力。

在越南和印度增加工厂能够短期内解决半导体封装的问题。而台湾仍旧是绝大部分的半导体晶圆制造（68%的半导体和90%的先进芯片）的产地。随着欧洲、加拿大和美国几年来的制造扩张，这将更加持续的暴露出半导体行业的区域“单一来源”的脆弱性。

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可持续性

可持续性和盈利能力将会是企业成功的双重驱动力。例如，使用氮化镓（GaN）半导体将通过提高数据中心的数据密度来增加收入，这也助于满足产品和运营的可持续性指标。同时大规模推广可再生能源的收集、储存和使用技术的压力也将增加。对于按需太阳能发电系统这一层面来说，人们对更节能的电源逆变器、DC-DC转换器和能量密集型存储器的需求将会出现。

“在2023年及以后，我们预测对于氮化镓（GaN）的需求将有一个自然增速，以此来为人类带来一个可持续发展的未来。氮化镓（GaN）功率半导体旨在通过利用高开关速度和低导通电阻来节省能量和实现器件小型化”， GaN Systems负责人表示。

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氮化镓（GaN）与数据中心

氮化镓（GaN）材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着 MBE技术在氮化镓（GaN）材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了氮化镓（GaN）多种异质结构。用氮化镓（GaN）材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；氮化镓（GaN）较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。

一般来说硬件数据中心每三到五年更新一次，再加上欧盟生态设计 Lot 9 效率监管要求的生效，氮化镓（GaN）将有很大机会成为机架式电源和服务器中的独立冗余电源的硅替代品。英特尔和惠普两大公司将作为此次服务器升级和使用氮化镓（GaN）电源构建服务器机架的领头羊，越来越多的服务器机架电源公司将紧跟其上，逐步促使氮化镓（GaN）成为此行业的生产“标准”。科技巨头的新标准将加速电源向更高效率和更小外形尺寸的转变。开放计算机项目 (OCP) 的 M-CRPS 标准将使服务器电源的尺寸减小 30%。传统的MOSFET 硅材料很难达到此项标准，对比之下氮化镓（GaN）在这方面表现更为出色。此外，许多以超大规模计算为目标的 OCP 设计对超高能效的需求不断增加，氮化镓（GaN）元素最能满足这一需求。人们的供电需求将增加氮化镓（GaN）的使用量，通过利用氮化镓（GaN）较低的开关和传导损耗特性来提高生产能效，并通过氮化镓（GaN）的高功率特性来提高建造功率密度。基于氮化镓（GaN）的电源体积更小、生产能效更高，这可以直接降低数据中心的电费，并间接降低冷却系统成本。

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氮化镓（GaN）与新能源汽车

基于氮化镓的MOSFET和MESFET晶体管也具有高功率低损耗的优势，特别适合在汽车和电动汽车中应用。自2008年起，这两种晶体管已可以在硅基板上制成。高电压（800V）肖特基二极管（SBD）也已经研制成功。

2022—2023年汽车平台设计阶段的高性能氮化镓（GaN）解决方案将在2025—2026年成为主流，以提供更低成本、更节能的电源解决方案。越来越多的原始设备制造商开始使用氮化镓（GaN）进行生产，这一趋势将在 2023 年加速。

随着越来越多的 400V 系统设计变得越来越重要，并且用于 800V 系统的多级氮化镓（GaN）解决方案得到验证和其设计也随之增加，氮化镓（GaN）半导体公司将开始关注他们在新能源汽车中的份额。

此类公司同时指出，竞争性碳化硅 (SiC) 技术正在经历持续的材料短缺、良率挑战和成本问题，此类问题也是硅供应商所面临的挑战。

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氮化镓（GaN）与消费性电子产品

氮化镓（GaN）元素已经在消费性电子产品设计方面取得了重大进展，从广受欢迎的45W和65W充电器到不断增长的100-180 W充电器市场，这些充电器都出现了单端口和多端口的变化。对于音频，新的 D 类音频系统设计将随着氮化镓（GaN）产品“构建模块”的采用而加速，这使各个市场的音频系统设计人员能够进行混合和匹配设计，并最大限度地提高其特定应用的性能。

公司对氮化镓（GaN）在消费电子领域的主流地位和价值的认可度将促进对家电、大屏幕电视、电动自行车和电动工具等新应用领域的增长，对基于氮化镓（GaN）的系统设计的验证也基于此。这些市场中的创新氮化镓（GaN）驱动产品将在2023-2024年冲击消费市场。GaN Systems首席执行官Jim Witham表示：“随着全球公司继续面临推动盈利能力和可持续发展的压力，氮化镓（GaN）技术的重要性更上一层楼。”

“尽管过去三年全球经济和地缘政治遭遇重大逆风，但氮化镓（GaN）现已被公认为一项广泛采用的技术，预计到 2027 年将达到 20 亿美元，其推动因素是消费电子、汽车应用、数据中心以及工业和电动汽车的使用不断增加。因此，公司将继续加快提高能源效率的承诺，我们将看到盈利能力和可持续性推动 60 亿美元的氮化镓（GaN）增长。”