GaN:外延、器件、应用及技术趋势

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据麦姆斯咨询介绍,从理论角度来看,GaN与传统的硅基MOSFET相比具有惊人的技术优势。尽管与32.8亿美元的硅基功率半导体市场相比,目前功率GaN市场仍然很小,但GaN器件有信心渗透到不同应用中:例如,激光雷达(LiDAR)则是充分利用功率GaN家族中高频开关的高端解决方案。LiDAR和其他各种应用市场增长的累积正是GaN市场稳步增长的第一部“剧本”(基本案例场景)。

 

然而,这并不是唯一的可能。是否有其他可能引发功率GaN市场爆炸的杀手级应用呢?

 

事实上,一些厂商已证实苹果公司对基于GaN技术的无线充电解决方案感兴趣。毋庸置疑,苹果或其他智能手机巨头透露出看好GaN潜在应用的态度将彻底改变市场动向,并最终为功率GaN器件行业带来生机。我们设想,如果苹果等公司一旦采用功率GaN器件,众多公司必将追随。但事实是功率GaN最大的市场仍然来自电源应用,如手机快速充电。今年Navitas和Exagan已推出一款集成了GaN解决方案的45W快速充电电源适配器。

 

在电动汽车(EV)市场中,哪些主要逆变器正在由SiC取代硅基IGBT?其中GaN扮演什么角色?许多厂商,如EPC(宜普电源转换公司)和Transphorm已经通过了车规认证,正为功率GaN未来的爆发蓄势。此外,BMW i Ventures(宝马风险投资公司)对GaN Systems公司的投资清楚地表明了汽车行业对GaN解决方案用于电动汽车及混合动力汽车(EV/HEV)的浓厚兴趣。

 

众观全局,Yole认为第二种“剧本”(下图中用公牛图案标注)引起的增长将更为积极,到2023年其市场规模将达到4.3亿美元,复合年增长率(CAGR)高达87%。

 

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该报告体现了Yole对GaN在不同细分市场实现的理解,并给出了两种可能的“剧本”。报告还对功率GaN分立器件和IC器件市场进行了全面的预测,以及对市场当前动态和未来演变的理解。

 

功率GaN供应链:初创企业与行业巨头同场竞技

 

自从首款商用GaN器件面世以来,已经过去了八年。功率器件行业的人们对积极推广GaN技术的初创企业名称也越来越熟悉。GaN初创公司的名单越来越长,已不足为奇:EPC(宜普电源转换公司)、GaN System、Transphorm、Navitas等等都是其中的新秀。这些初创企业大多选择代工厂制造模式,主要使用台积电(TSMC)、Episil或X-FAB作为首选伙伴。同时,随着GaN市场的兴起,其他代工厂可能也会提供这种服务。如前一节所讨论,如果市场突然爆发,代工模式为无晶圆厂(fabless)或轻晶圆厂(fab-lite)初创企业提供了迅速发展的可能性。

 

令人着迷的是,随着这些GaN初创公司的出现,有着截然不同特征的公司与行业巨头如罗姆(ROHM)株式会社与GaN Systems推出的GS6650x系列氮化镓晶体管,针对HEV/EV设计中的高压系统(高达650V)而进行了优化,该合作使得GaN Systems业内领先的氮化镓晶体管与罗姆在半导体领域内的经验及在电子元件设计及制造领域内的大量资源相结合此外,两家公司将共同致力于氮化镓半导体研发活动,推出一款全新突破性产品方案,供工业、汽车及消费电子品行业的客户使用。

 

而IDM厂商们将利用其垂直整合方式为市场带来具有成本竞争力的产品。

 

这份报告提供了功率GaN行业全局介绍,涵盖了从外延、器件设计到器件工艺的产业链。此外,还讲解了Yole对市场当前动态和未来发展的理解。

 

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GaN是具有成本效益的解决方案吗?

 

在最终的电子产品中集成GaN解决方案是非常吸引人的想法:如果设计得当,将提高系统效率,系统可以在更高的频率下工作,从而减小无源元件尺寸。这对于终端用户来说优势显著……但这是真的吗?

 

市场在引入新技术时,成本是需要考虑的关键因素之一,但目前成本不是GaN的优势。GaN器件的主要竞争者是硅基MOSFET,后者已经上市多年,提供非常具有竞争力的成本,并且平均效率高、质量优良、可靠性极高。目前,只有EPC一家公司声称其低压晶圆级封装产品与硅基MOSFET价格相当。然而,当提高标准封装和电压要求时,GaN产品将比硅基产品成本更高,这成为GaN器件广泛应用的主要障碍。

 

许多供应商已经开始采用集成系统以获得系统级成本竞争力。不管是耗尽型解决方案,还是增强型集成解决方案,对于终端用户来说这都是一种易于使用的产品。

 

该报告从成本角度讨论未来几年的器件技术和前景,不仅包括硅基和GaN产品,还包括无源和集成解决方案。

 

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