【导读】如今的消费类电源市场，要说「几乎人手一个氮化镓快充充电器」并不过分吧？从 2018 年前后开始，氮化镓快充充电器进入国内市场，随后便开启了第三代半导体材料功率器件的新王朝，充电器的发展坐上腾飞的火箭，在短短时间从内到外焕然一新：体积越来越小的同时，功率越来越大，手机上的规格从最初的 5W，到现在早已超过百瓦。
这就是氮化镓材料带来的行业革新。发展了 5 年之后，时间来到 2023 年，移动充电器市场也不再如昨日般沸腾，那么我们再谈氮化镓，又有着怎样的新思路。
先回顾 GaN 氮化镓的优势
氮化镓（GaN）是一种「宽禁带」（WBG）材料，其禁带宽度是硅的 3 倍多。禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场，更大的禁带宽度可以开发出载流子浓度更高的器件结构。
由于氮化镓具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势，氮化镓充电器的运行速度，比传统硅器件要快 100 倍。它可以在更小的器件空间内处理更大的电场，同时提供更快的开关速度。此外，氮化镓比硅基半导体器件，可以在更高的温度下工作。
所以氮化镓在电力电子领域主要优势在于高功率、低损耗与高频率，这些特性令其在充电器行业大放异彩。采用了氮化镓的充电器，能在尺寸和重量减半的前提下，实现高达甚至是 3 倍的功率处理能力。
这就是为什么我们在短短几年内看到充电器发生翻天覆地变化的原因，氮化镓带来的优势过于巨大，一时间快充市场规模迅速增长，同时也加速了各路行业与厂商的内卷。
氮化镓器件有望持续放量
第三代半导体材料凭借其优越性、实用性和战略性，被许多发达国家已经列入国家计划，进行全面部署，包括氮化镓在内的器件将成为发展主流。
氮化镓产业链一般划分为上游的材料即衬底和外延片、中游的器件和模组、下游的系统和应用。从各环节来看，欧美日企业发展较早，技术积累、专利申请数量、规模制造能力等方面均处于绝对优势。
我国在自主替代大趋势下，目前在氮化镓产业链各环节均有所涉足，在政策支持下已在技术与生产方面取得进步，产业结构相对聚焦中游，多家国内企业已拥有氮化镓晶圆制造能力。
此外，5G通讯的革命性转变重塑了射频技术产业，也为我国氮化镓器件带来重大的市场机遇。5G通讯基站是氮化镓市场主要驱动因素之一，氮化镓射频器件主要应用于无线通讯，占比到达49%。氮化镓材料耐高温、高压及承受更大电流的优势使得射频器件应用在5G基站中更加合适。随着国内5G基站覆盖率不断上升，对氮化镓射频器件需求将更大。
此前，通过性能优化、产能提升、成本控制之后，我国氮化镓在消费电子领域逐渐站稳了脚跟，成为主要驱动力。未来，随着下游新应用规模爆发，以及氮化镓衬底制备技术不断取得突破，氮化镓器件有望持续放量，将成为降本增效、可持续绿色发展的关键技术之一。
“上车”竞争力不断提升
氮化镓作为宽禁带半导体的中流砥柱，具备高频率、低损耗、抗辐射性强等优势，可以满足各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。近几年，随着各大科研院所和领军企业的不断研究，氮化镓技术在成本、良率和稳定性上，都实现了优化和改善。
特别是在车用功率器件领域，氮化镓功率器件的市场份额一直保持稳定增长。数据显示，到2027年，氮化镓功率器件的市场规模有望达到20亿美元，而在2021年仅为1.26亿美元，电动汽车将成为氮化镓功率器件的下一个增长点，市场规模将超过2.27亿美元，年复合增长率将高达99%。
因此，氮化镓也越来越受到汽车芯片大厂的青睐。近期，三星电子宣布，为了满足汽车领域对功率半导体的需求，将进军氮化镓市场，计划在2025年，为汽车应用、消费级和数据中心等领域提供8英寸氮化镓晶圆代工服务；英飞凌宣布，以8.3亿美元收购氮化镓功率半导体制造商GaN Systems，意在加强其氮化镓产品组合，加速氮化镓技术路线图；德州仪器表示，将扩大在日本福岛县会津工厂的氮化镓晶圆产能。
随着氮化镓“上车”的速率不断加快，竞争力不断提升，在部分电压等级相对硅和碳化硅更具优势。
英诺赛科产品部高级副总裁孙毅表示，在650V电压等级，氮化镓相对于碳化硅具备更好的高频特性，可以大幅提高终端产品的功率密度。目前主流的氮化镓是硅基氮化镓，整体相对碳化硅来讲，成本的优势比较大，所以在650V这个等级来看氮化镓相对于碳化硅在性能和成本都具备比较大的优势。
安世半导体副总裁Carlos Castro表示：“氮化镓拥有更高的效率、更高的功率密度和更低的系统成本。与硅解决方案相比，碳化硅车载充电器将成本降低了约13%，而氮化镓则将系统成本降低了24%，而且可以大幅缩短新能源汽车的充电时间，以及减少电源转换系统体积等。”
国际功率巨头更是对碳化硅和氮化镓通吃的布局态度。英飞凌去年投资20亿欧元，在马来西亚扩展宽禁带半导体的产能，就包括碳化硅和氮化镓；今年3月，英飞凌更是将斥资8.3亿美元收购氮化镓系统公司，以进一步增强英飞凌在功率系统领域的领导地位。
集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄表示，氮化镓在400V系统内车载充电机的应用中，可能与碳化硅材料形成竞争，但因为氮化镓材料在高压上的局限，800V系统领域短期内应该不会有竞争产生。据预测，到2025年左右，氮化镓功率元件会小批量地渗透到低功率的OBC（车载充电机）和DC-DC（直流转直流电源）中，2030年代工厂商会考虑将氮化镓移入到逆变器。
来源：贤集网
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