新能源汽車：未來不同半導(dǎo)體材料博弈的新戰(zhàn)場

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氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的一種,在禁帶寬度、飽和電子漂移速度、電子遷移率三項參數(shù)上都超越了第一代和第二代半導(dǎo)體材料。

對GaN薄膜材料的研究可追溯到上世紀60年代,但直到90年代GaN外延生長和摻雜技術(shù)才取得了重大突破。21世紀后,科技的高速發(fā)展和不斷涌現(xiàn)的新需求有力推動著GaN半導(dǎo)體材料朝著高頻、高功率、低能耗、超快響應(yīng)、超高容量、微型化等方向發(fā)展。

01 2020年全球GaN射頻器件市場規(guī)模超8億美元

與碳化硅(SiC)相比,GaN具有更高的電子遷移率,開關(guān)速度快,因此在高頻應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢顯著,在微波射頻、IDC等領(lǐng)域潛力巨大。GaN微波射頻器件/模塊通常包括GaN功率放大器(PA)、GaN低噪聲放大器(LNA)、GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)以及GaN MMIC放大器等。

據(jù)Yole統(tǒng)計,2020年全球GaN射頻器件市場達8．3億美元,到2025年將增長至20億美元以上,年均復(fù)合增長率(CAGR)為12%。國防軍工和5G應(yīng)用是GaN射頻市場的兩大強勁牽引力,除此之外,GaN射頻在無線寬帶、射頻能量、商業(yè)雷達等市場也表現(xiàn)不凡。

GaN射頻器件的不同技術(shù)路線

GaN器件制造主要有藍寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN和GaN基GaN四種工藝。

藍寶石襯底作為第一代技術(shù)路線,生產(chǎn)技術(shù)成熟、穩(wěn)定性較好,但由于襯底尺寸小、晶格失配、熱應(yīng)力適配等缺陷,無法支撐新興的GaN器件市場需求。

在射頻領(lǐng)域,因SiC基GaN較好的解決了散熱、效率和尺寸等問題,是目前主流的技術(shù)路線。國際上4英寸和6英寸產(chǎn)線并存,4英寸代表制造商有日本住友和臺灣穩(wěn)懋,產(chǎn)品覆蓋了 6GHz 以內(nèi)的各頻段,輸出功率 40-400W。6英寸產(chǎn)能相對集中,主要為美國企業(yè),包括Cree/Wolfspped、NXP和Qorvo。

Si襯底尺寸大、價格低,可面向更大的應(yīng)用市場,且Si本身作為第一代半導(dǎo)體材料發(fā)展最為成熟,因此Si 基 GaN 射頻器件也逐漸得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注,但仍然是一個較小眾的市場。Macom公司的Si基GaN器件憑借其顯著的成本優(yōu)勢和可靠性能,正在搶奪傳統(tǒng)LDMOS和SiC基GaN的市場。四川益豐收購的OMMIC(前身是飛利浦在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的研究部門),掌握6英寸Si基GaN工藝。據(jù)悉,英諾賽科正在研發(fā) 8 英寸 Si 基 GaN 射頻器件工藝。

圖1:GaN制造技術(shù)路線變遷來源:Yole

我國GaN射頻器件發(fā)展概況

我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(CASA)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2020年我國GaN微波射頻器件市場規(guī)模約66．1 億元,同比增長 57．2%。其中,國防與航天是最大的下游應(yīng)用市場,2020年應(yīng)用規(guī)模達34．8億元,占國內(nèi)GaN射頻器件市場的53%,且預(yù)計將保持25．4%的CAGR繼續(xù)擴張。
隨著全國5G基站建設(shè)的加速,有望拉動國內(nèi)GaN射頻器件市場成倍增長,預(yù)計釋放超千億元的GaN PA新需求。未來三到五年GaN射頻器件在5G基站的滲透率預(yù)計達到70%。

圖2:2020年我國GaN射頻器件下游應(yīng)用分布

來源:CASA

02  GaN在消費電子市場大放異彩

GaN電力電子器件的導(dǎo)通電阻低至傳統(tǒng)器件的近千分之一,開關(guān)速度是后者的幾十倍,可以有效降低近90%的電源損耗,且GaN電力電子器件身材纖細,這些特點完美契合了消費電子電源產(chǎn)品近年來追求小型化和高效率的趨勢。

自2018年以來,GaN材料在快充領(lǐng)域得到快速商業(yè)化,最先突圍的是手機充電器。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2020年底全球已有60余家GaN快充產(chǎn)品制造商,已推出超100款GaN PD產(chǎn)品,充電功率集中在30-100W區(qū)間,無論是企業(yè)數(shù)量還是產(chǎn)品數(shù)量都較2019年增長迅猛。隨著工作功率不斷提高,尤其是100W以上,GaN材料將會更具主導(dǎo)優(yōu)勢。

2020年2月13日,小米正式發(fā)布了65W GaN充電器,售價149元。小米首席執(zhí)行官雷軍介紹,該款充電器具有小巧、高效、發(fā)熱低等特點,僅需45分鐘即可將一塊 4500mAH的超大電池充滿電。2020年OPPO、華為、魅族等國產(chǎn)手機廠商也相繼推出了GaN快充產(chǎn)品。

圖3:GaN快充領(lǐng)域重點廠商布局來源:Yole 

從手機出發(fā),GaN快充技術(shù)正在逐步滲透筆記本電腦、顯示器、白家電、其他3C等市場。戴爾、聯(lián)想、LG等筆記本電腦品牌紛紛入場GaN快充,推出了GaN大功率電源適配器。而受到下游需求刺激,Navitas、PI、英飛凌、Transphorm以及國內(nèi)半導(dǎo)體廠商英諾賽科、氮矽科技、能華微等都陸續(xù)推出了適用于PD 快充的 GaN芯片。GaN消費類電源的未來市場空間無可限量,預(yù)計在接下的幾年將迎來發(fā)展巔峰。  

03  新能源汽車:未來不同半導(dǎo)體材料博弈的新戰(zhàn)場

新能源汽車市場為電力電子器件提供了重要的驅(qū)動力,同時也對半導(dǎo)體材料和器件提出了新的需求。目前,Si基IGBT和SiC基MOSFET 這兩個主流技術(shù)正在搶奪新能源汽車功率半導(dǎo)體這一塊大蛋糕,而Si基GaN器件也在發(fā)力滲透,未來也是不容忽視的有力競爭者。

相較Si基IGBT,SiC基MOSFET擁有耐高壓、更高的開關(guān)速度和低損耗等優(yōu)異性能,并且在同樣功率下,SiC模塊通常具備更小的封裝尺寸,有助于實現(xiàn)實現(xiàn)車載逆變器的輕量化與節(jié)能化。全球范圍內(nèi),特斯是行業(yè)內(nèi)第一個使用SiC技術(shù)的的車企,Model 3上采用了Infineon(英飛凌)和ST(意法半導(dǎo)體)的SiC逆變器,集成全SiC功率模塊。

國內(nèi)汽車廠商中,比亞迪自主研發(fā)的SiC MOSFET已開始上車使用,今年6月蔚來首臺SiC電驅(qū)系統(tǒng)C樣件下線。

從技術(shù)層面上看,GaN功率器件可承受電壓不及SiC功率器件,在48V混合動力汽車上優(yōu)勢更明顯,也更適合小功率DC-DC/AC-DC轉(zhuǎn)換器。此外,GaN功率器件也有望在車載充電器(OBC)得到更廣泛應(yīng)用。如果系統(tǒng)成本達到平衡,GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。

需要承認的是,盡管第三代半導(dǎo)體技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域潛力無窮,但汽車所需器件的認證周期長,通常要求很高的器件可靠性和穩(wěn)定性,在現(xiàn)實中SiC和GaN技術(shù)的應(yīng)用并不樂觀,仍處于非常初期的階段。

Si基IGBT產(chǎn)業(yè)鏈成熟,經(jīng)過多次迭代,器件穩(wěn)定性高,材料成本優(yōu)勢顯著,因此預(yù)計在未來Si基IGBT和SiC MOSFET仍將長期并存,而GaN技術(shù)應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域想要取得實質(zhì)性突破還需很長一段時間。 

參考資料:1． CASA:第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2020)2． 《第三代半導(dǎo)體材料》,中國材料研究學(xué)會組織編寫3． 券商研報和其他公開資料 —END—    

作者 | 火石創(chuàng)造 沈黎明