前言

氮化鎵（GaN）是一種非常堅(jiān)硬且在機(jī)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(qiáng)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(zhǎng)，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長(zhǎng)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(wú)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(duì)氮化鎵（GaN）系統(tǒng)的預(yù)測(cè)，囊括了功率半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈對(duì)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(diǎn)，隨著電動(dòng)化大趨勢(shì)的到來(lái)和越來(lái)越多的包含半導(dǎo)體產(chǎn)品的出現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)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?yàn)槠髽I(yè)和消費(fèi)者生產(chǎn)現(xiàn)有產(chǎn)品，還能在不久的將來(lái)點(diǎn)燃創(chuàng)新之火。

01.供應(yīng)鏈提振

GaN Systems預(yù)測(cè)，到2023年，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈將致力于在工程設(shè)計(jì)和制造方面發(fā)展美國(guó)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(zhǎng)意味著美國(guó)接受國(guó)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(lái)四年內(nèi)促進(jìn)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的地域多元化。他們將提供527 億美元的贈(zèng)款、貸款和稅收抵免形勢(shì)推動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)、鑄造和制造設(shè)施的投資。大型芯片制造商在美國(guó)建造的每個(gè)新制造的芯片組裝工廠都會(huì)獲得高達(dá) 2.5 至 3 億美元的資金補(bǔ)助。

為了加速下一代芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，The E.U. Chips Act中的廣泛投資計(jì)劃將側(cè)重于提高生產(chǎn)能力以及提高識(shí)別和應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)危機(jī)的能力。其中最重要的是，The E.U. Chips Act旨在加強(qiáng)歐洲的研究和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位，其中包括實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)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(wèn)題。而臺(tái)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(jìn)芯片）的產(chǎn)地。隨著歐洲、加拿大和美國(guó)幾年來(lái)的制造擴(kuò)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(lái)源”的脆弱性。

02.可持續(xù)性

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

“在2023年及以后，我們預(yù)測(cè)對(duì)于氮化鎵（GaN）的需求將有一個(gè)自然增速，以此來(lái)為人類帶來(lái)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體旨在通過(guò)利用高開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻來(lái)節(jié)省能量和實(shí)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(chǎng)，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(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)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(lái)說(shuō)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(jì) Lot 9 效率監(jiān)管要求的生效，氮化鎵（GaN）將有很大機(jī)會(huì)成為機(jī)架式電源和服務(wù)器中的獨(dú)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(jí)和使用氮化鎵（GaN）電源構(gòu)建服務(wù)器機(jī)架的領(lǐng)頭羊，越來(lái)越多的服務(wù)器機(jī)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)”?？萍季揞^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(jì)算機(jī)項(xiàng)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(jì)算為目標(biāo)的 OCP 設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)利用氮化鎵（GaN）較低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗特性來(lái)提高生產(chǎn)能效，并通過(guò)氮化鎵（GaN）的高功率特性來(lái)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(fèi)，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(shì)，特別適合在汽車和電動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)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(lái)越多的原始設(shè)備制造商開始使用氮化鎵（GaN）進(jìn)行生產(chǎn)，這一趨勢(shì)將在 2023 年加速。

隨著越來(lái)越多的 400V 系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要，并且用于 800V 系統(tǒng)的多級(jí)氮化鎵（GaN）解決方案得到驗(yàn)證和其設(shè)計(jì)也隨之增加，氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體公司將開始關(guān)注他們?cè)谛履茉雌囍械姆蓊~。

此類公司同時(shí)指出，競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題，此類問(wèn)題也是硅供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)。

05.氮化鎵（GaN）與消費(fèi)性電子產(chǎn)品

氮化鎵（GaN）元素已經(jīng)在消費(fèi)性電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面取得了重大進(jìn)展，從廣受歡迎的45W和65W充電器到不斷增長(zhǎng)的100-180 W充電器市場(chǎng)，這些充電器都出現(xiàn)了單端口和多端口的變化。對(duì)于音頻，新的 D 類音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)市場(chǎng)的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行混合和匹配設(shè)計(jì)，并最大限度地提高其特定應(yīng)用的性能。

公司對(duì)氮化鎵（GaN）在消費(fèi)電子領(lǐng)域的主流地位和價(jià)值的認(rèn)可度將促進(jìn)對(duì)家電、大屏幕電視、電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具等新應(yīng)用領(lǐng)域的增長(zhǎng)，對(duì)基于氮化鎵（GaN）的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證也基于此。這些市場(chǎng)中的創(chuàng)新氮化鎵（GaN）驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品將在2023-2024年沖擊消費(fèi)市場(chǎng)。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(dòng)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(guò)去三年全球經(jīng)濟(jì)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(xiàng)廣泛采用的技術(shù)，預(yù)計(jì)到 2027 年將達(dá)到 20 億美元，其推動(dòng)因素是消費(fèi)電子、汽車應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心以及工業(yè)和電動(dòng)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(dòng) 60 億美元的氮化鎵（GaN）增長(zhǎng)?！?/p>