前言

氮化鎵（GaN）是一種非常堅硬且在機械方面非常穩(wěn)定的寬帶隙半導(dǎo)體材料。由于具有更高的擊穿強度、更快的開關(guān)速度，更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，氮化鎵基功率器件明顯比硅基器件更優(yōu)越。

氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長氮化鎵（GaN）外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無需使用高成本的特定生產(chǎn)設(shè)施，而且以低成本采用大直徑的硅晶片。

GaN power semiconductor 2023 predictions一文有所論述，2023年對氮化鎵（GaN）系統(tǒng)的預(yù)測，囊括了功率半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈對數(shù)據(jù)中心和新能源汽車與日俱增的可持續(xù)性監(jiān)管。該文表示我們正處于功率氮化鎵（GaN）技術(shù)的轉(zhuǎn)折點，隨著電動化大趨勢的到來和越來越多的包含半導(dǎo)體產(chǎn)品的出現(xiàn)，經(jīng)濟的贏家和輸家主要取決于那些能夠更好管理其供應(yīng)鏈的人，這些供應(yīng)鏈不僅能夠為企業(yè)和消費者生產(chǎn)現(xiàn)有產(chǎn)品，還能在不久的將來點燃創(chuàng)新之火。

01.供應(yīng)鏈提振

GaN Systems預(yù)測，到2023年，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈將致力于在工程設(shè)計和制造方面發(fā)展美國和歐洲的大量業(yè)務(wù)。半導(dǎo)體供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)的增長意味著美國接受國家戰(zhàn)略性半導(dǎo)體政策——而不是出于政治上的便利。The CHIPS and Science Act有望在未來四年內(nèi)促進美國半導(dǎo)體行業(yè)的地域多元化。他們將提供527 億美元的贈款、貸款和稅收抵免形勢推動對設(shè)計、鑄造和制造設(shè)施的投資。大型芯片制造商在美國建造的每個新制造的芯片組裝工廠都會獲得高達(dá) 2.5 至 3 億美元的資金補助。

為了加速下一代芯片的設(shè)計和生產(chǎn)，The E.U. Chips Act中的廣泛投資計劃將側(cè)重于提高生產(chǎn)能力以及提高識別和應(yīng)對半導(dǎo)體供應(yīng)危機的能力。其中最重要的是，The E.U. Chips Act旨在加強歐洲的研究和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位，其中包括實現(xiàn)長期經(jīng)濟增長和社會目標(biāo)所需的能力和控制力。

在越南和印度增加工廠能夠短期內(nèi)解決半導(dǎo)體封裝的問題。而臺灣仍舊是絕大部分的半導(dǎo)體晶圓制造（68%的半導(dǎo)體和90%的先進芯片）的產(chǎn)地。隨著歐洲、加拿大和美國幾年來的制造擴張，這將更加持續(xù)的暴露出半導(dǎo)體行業(yè)的區(qū)域“單一來源”的脆弱性。

02.可持續(xù)性

可持續(xù)性和盈利能力將會是企業(yè)成功的雙重驅(qū)動力。例如，使用氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體將通過提高數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)密度來增加收入，這也助于滿足產(chǎn)品和運營的可持續(xù)性指標(biāo)。同時大規(guī)模推廣可再生能源的收集、儲存和使用技術(shù)的壓力也將增加。對于按需太陽能發(fā)電系統(tǒng)這一層面來說，人們對更節(jié)能的電源逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和能量密集型存儲器的需求將會出現(xiàn)。

“在2023年及以后，我們預(yù)測對于氮化鎵（GaN）的需求將有一個自然增速，以此來為人類帶來一個可持續(xù)發(fā)展的未來。氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體旨在通過利用高開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻來節(jié)省能量和實現(xiàn)器件小型化”， GaN Systems負(fù)責(zé)人表示。

03.氮化鎵（GaN）與數(shù)據(jù)中心

氮化鎵（GaN）材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術(shù)在氮化鎵（GaN）材料應(yīng)用中的進展和關(guān)鍵薄膜生長技術(shù)的突破，成功地生長出了氮化鎵（GaN）多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用氮化鎵（GaN）材料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；氮化鎵（GaN）較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

一般來說硬件數(shù)據(jù)中心每三到五年更新一次，再加上歐盟生態(tài)設(shè)計 Lot 9 效率監(jiān)管要求的生效，氮化鎵（GaN）將有很大機會成為機架式電源和服務(wù)器中的獨立冗余電源的硅替代品。英特爾和惠普兩大公司將作為此次服務(wù)器升級和使用氮化鎵（GaN）電源構(gòu)建服務(wù)器機架的領(lǐng)頭羊，越來越多的服務(wù)器機架電源公司將緊跟其上，逐步促使氮化鎵（GaN）成為此行業(yè)的生產(chǎn)“標(biāo)準(zhǔn)”。科技巨頭的新標(biāo)準(zhǔn)將加速電源向更高效率和更小外形尺寸的轉(zhuǎn)變。開放計算機項目 (OCP) 的 M-CRPS 標(biāo)準(zhǔn)將使服務(wù)器電源的尺寸減小 30%。傳統(tǒng)的MOSFET 硅材料很難達(dá)到此項標(biāo)準(zhǔn)，對比之下氮化鎵（GaN）在這方面表現(xiàn)更為出色。此外，許多以超大規(guī)模計算為目標(biāo)的 OCP 設(shè)計對超高能效的需求不斷增加，氮化鎵（GaN）元素最能滿足這一需求。人們的供電需求將增加氮化鎵（GaN）的使用量，通過利用氮化鎵（GaN）較低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗特性來提高生產(chǎn)能效，并通過氮化鎵（GaN）的高功率特性來提高建造功率密度?；诘墸℅aN）的電源體積更小、生產(chǎn)能效更高，這可以直接降低數(shù)據(jù)中心的電費，并間接降低冷卻系統(tǒng)成本。

04.氮化鎵（GaN）與新能源汽車

基于氮化鎵的MOSFET和MESFET晶體管也具有高功率低損耗的優(yōu)勢，特別適合在汽車和電動汽車中應(yīng)用。自2008年起，這兩種晶體管已可以在硅基板上制成。高電壓（800V）肖特基二極管（SBD）也已經(jīng)研制成功。

2022—2023年汽車平臺設(shè)計階段的高性能氮化鎵（GaN）解決方案將在2025—2026年成為主流，以提供更低成本、更節(jié)能的電源解決方案。越來越多的原始設(shè)備制造商開始使用氮化鎵（GaN）進行生產(chǎn)，這一趨勢將在 2023 年加速。

隨著越來越多的 400V 系統(tǒng)設(shè)計變得越來越重要，并且用于 800V 系統(tǒng)的多級氮化鎵（GaN）解決方案得到驗證和其設(shè)計也隨之增加，氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體公司將開始關(guān)注他們在新能源汽車中的份額。

此類公司同時指出，競爭性碳化硅 (SiC) 技術(shù)正在經(jīng)歷持續(xù)的材料短缺、良率挑戰(zhàn)和成本問題，此類問題也是硅供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)。

05.氮化鎵（GaN）與消費性電子產(chǎn)品

氮化鎵（GaN）元素已經(jīng)在消費性電子產(chǎn)品設(shè)計方面取得了重大進展，從廣受歡迎的45W和65W充電器到不斷增長的100-180 W充電器市場，這些充電器都出現(xiàn)了單端口和多端口的變化。對于音頻，新的 D 類音頻系統(tǒng)設(shè)計將隨著氮化鎵（GaN）產(chǎn)品“構(gòu)建模塊”的采用而加速，這使各個市場的音頻系統(tǒng)設(shè)計人員能夠進行混合和匹配設(shè)計，并最大限度地提高其特定應(yīng)用的性能。

公司對氮化鎵（GaN）在消費電子領(lǐng)域的主流地位和價值的認(rèn)可度將促進對家電、大屏幕電視、電動自行車和電動工具等新應(yīng)用領(lǐng)域的增長，對基于氮化鎵（GaN）的系統(tǒng)設(shè)計的驗證也基于此。這些市場中的創(chuàng)新氮化鎵（GaN）驅(qū)動產(chǎn)品將在2023-2024年沖擊消費市場。GaN Systems首席執(zhí)行官Jim Witham表示：“隨著全球公司繼續(xù)面臨推動盈利能力和可持續(xù)發(fā)展的壓力，氮化鎵（GaN）技術(shù)的重要性更上一層樓?！?/p>“盡管過去三年全球經(jīng)濟和地緣政治遭遇重大逆風(fēng)，但氮化鎵（GaN）現(xiàn)已被公認(rèn)為一項廣泛采用的技術(shù)，預(yù)計到 2027 年將達(dá)到 20 億美元，其推動因素是消費電子、汽車應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心以及工業(yè)和電動汽車的使用不斷增加。因此，公司將繼續(xù)加快提高能源效率的承諾，我們將看到盈利能力和可持續(xù)性推動 60 億美元的氮化鎵（GaN）增長?！?/p>