千呼万唤始出来的苹果GaN快充，拉开下一个GaN爆点的序幕

十月中旬，苹果官方确认新上架的140W USB-C电源适配器是其首款氮化镓（GaN）充电器，约30分钟即可从0%充至50%电量，售价729元，将GaN技术在功率器件上的应用推向首个巅峰。作为第三代半导体材料的两大明星之一，GaN成为大学研究项目已经过去20年，因其有望大幅改进电源管理、开关和功率输出等应用，业内预计在未来几年它将在许多应用中取代硅材料。其中，快充是第一个可以大规模生产的应用，事实也证明了这一点。

 

在过去一年多的时间里，大功率快充逐渐成为智能手机标配，而GaN快充可以很好地解决大电池带来的充电时长、散热等优势而逐渐深入人心。随着苹果亲自下场为GaN技术“背书”，GaN大功率快充市场持续升温，从30W到65W及更高功率、从智能手机到笔记本电脑等快速渗透。然而GaN才刚刚开始进军终端消费大众市场，中低压功率器件是其首个率先触及“甜蜜点”的应用区间。

 

 

GaN为高频、大功率设备提供了许多明显的性能优势，不仅能轻易地比体硅处理更高的电压，而且还具有高热容量和热导率。因此，在很多方面，对650V高功率晶体管而言，这都是一项理想的技术。自原国际整流器（IR，2016年被英飞凌收购）公司首个GaN器件诞生后，从该公司分离出来的技术就逐渐分流成两条线路，一条主攻高压GaN，一条主攻低压GaN。随后，大量资本涌入GaN市场，催生了众多的创业公司。

 

 

回顾过去20年，随着GaN功率器件的成本降低、电气特性提高和周边技术的扩充，GaN功率器件应用的环境从2010年左右开始迅速形成。从那一年起，很多企业相继推出了产品，并开始供货GaN功率器件，利用该器件的周边技术也越来越完善，GaN功率器件的开发在2010年到2015年之间达到了首个高峰。

 

2009年，IR公司推出了第一代GaN功率器件，随后EPC发布20~200V GaN晶体管。

 

2011年，MicroGaN推出600V GaN高迁移率晶体管，Transphorm发布GaN-on-Si 600V EZ-GaN晶体管。

 

2012年，GaN Systems发布1200V GaN-on-Si晶体管，6英寸GaN-on-Si晶片可用。

 

2013年，富士通宣布600V GaN-on-Si晶体管测试成功，Transphorm 600V GaN晶体管和肖特基二极管投入市场，其他公司开始推出600V GaN高迁移率器件。

 

2015年，8英寸GaN-on-Si晶片可用。

 

在这一时期，除了专注GaN的新进公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。融资活动也频繁发生，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，2012年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。

 

在应用方面，进入2013年以后，日本各大企业也相继发布了采用SiC和GaN的功率器件新产品，还有不少企业宣布涉足功率器件业务。伴随着耐压600V的GaN功率晶体管的不断面世，设备厂商不仅有了更多的部件可选性，而且多家GaN功率器件厂商的相互竞争，还使得价格越来越低，形成了更加便于采用GaN功率晶体管的局面。

 

此前，GaN功率晶体管产品的耐压多为200V以下，耐压600V产品达到实用水平的只有美国Transphorm公司一家。随着松下和夏普宣布全新涉足GaN功率器件业务，并发布了使用6英寸硅基板的新产品，松下于2013年3月，夏普于4月15日已经分别开始样品供货耐压600V产品。

 

在技术成熟度曲线中，这一时期正是行业对GaN技术寄予过高期望的高峰期。随着越来越多的GaN功率器件面市，下游终端客户的反馈却是可靠性差、良率低、成本高，需要重新设计周边电路等。期望值和现实的落差，使得这一轮GaN投资热潮很快开始下滑。2014年AZZURRO倒闭、三星关闭GaN部门、Transphorm估值大幅缩水；2016年，IR被英飞凌收购……GaN技术进入泡沫化的低谷期。

 

直到2018年后期，智能手机厂商开始率先推出GaN快充，一举将GaN功率器件带出了泡沫化的低谷期，进入了稳步爬升的光明期，2020年更是被视为GaN产品和技术起飞的元年。



2020年，国际上有超过10家公司量产GaN功率器件。击穿电压主要集中在300V以下和650V，导通电流最高90A(EPC，40V/80V；GaN System，100V)。半导体分销商Mouser数据显示，2020年共有约150款GaN HEMT系列产品在售，较2019年新增30款左右。EPC推出的产品最多(61款)，Transphorm的产品最高耐压值达到900V，GaN Systems的产品耐压集中在100V和650V。安世在推出了650V工业级的GaN产品后，也将GaN芯片引入散热更好、寄生电感更低的新型封装，打造完全符合车规要求的产品。

 

国内650V高压GaN功率器件的性能和出货量已与国际厂商处于同等水平，国内新锐英诺赛科与纳微半导体、PI（Power Integrations）在国际上形成了三足鼎立的局势。在工业和汽车应用领域，国际厂商投入时间长，技术积累丰富，处于暂时领先地位，国内GaN企业相对而言起步稍晚，但发展之势迅猛，有望在未来几年内赶超。

 

 

众所周知，硅材料适用于低压(60V及以下)和低功率器件，GaN适用于中电压(60-1200V)和中等范围功率器件，SiC适用于高电压(1200V及以上)和高功率器件。而GaN功率器件又可以分为低压应用（30-150V）和高压应用（650V以上），以高压电网到低压SoC的供电系统举例，高压在前级，低压在后级，越接近低压的SoC端，GaN功率器件的应用场景和需求就越多。发展至今，GaN已经在从快充到电动汽车、激光雷达、数据中心的很多领域取得了长足的进步，而这些应用多数都是650V及以上的高压功率器件。

 

 

首先，高压GaN器件对晶圆制造工艺要求不高，6英寸的工艺制程完全可以满足制造需求，因此GaN最早就脱胎于6英寸晶圆厂，直到现在制造仍然以6英寸晶圆为主。其次，由于当前的技术限制，GaN器件在高压应用上的性能优势比低压应用要明显得多。但是随着8英寸晶圆厂先进工艺的投入和关键技术如0.18um，0.35um工艺、外延生长技术和金属互连等技术的攻克，低压GaN器件元胞pitch size急剧缩减，器件性能参数指标FOM值已优于同电压规格的硅MOS器件数倍，低压GaN技术日趋成完善。

 

低压GaN可以分为两个技术平台。一是80V-150V平台，主要应用场景是48-72V的电源系统，包括汽车、工业通讯和数据中心等等。GaN-base的第一级DC/DC功率密度可提升三倍；应用于第二级DC/DC高密度GaN Sip/IC解决方案的功率密度可达80W/in^3，对数据中心而言，电源体积可因此减少50%，容量可提升10%左右。二是30-60V平台，主要应用场景是12-48V电源系统，包括消费电子、移动电子设备等等。

 

例如在80V-150V平台的数据中心应用中，服务器电源由功率因数校正(PFC)级（例如推挽电路）和一个谐振DC/DC级（LLC谐振转换器）组成，输出电压通常为12V。为了节省大量能源，从而降低电力成本，目前的趋势是向48V电源发展。而更高的电压可将输电线路上的功耗最高减少到原来的1/16。氮化镓技术可以让转换器的每一级都受益。对于功率因数校正级，其低电容和零反向恢复可以允许配置一个简单的推挽电路；对于LLC转换器级，其更快的开关速度和更小的损耗使其可以采用更小的磁体和电容。此外，氮化镓技术使得在同步整流中死区时间最上，同时也也减少了了损耗。最终的结果就是大幅提高了服务器主板的功率密度。

 

而在30-60V平台应用的电源系统更贴近消费和移动电子设备，而最大的市场就是消费类市场，30-40V的GaN器件可以支撑消费类电子包括手机、PC等的主板的充电密度大幅度提升。我们平常所说的充电功率xx瓦，是主板、电池等各个部件的性能的综合体现。现在快充遇到的问题，不是适配器的功率提不上去，而是主板的功率密度提不上去，原因是发热太高带来了一些安全隐患，也就造成了一些使用限制。因此这类应用在提升功率密度的充电密度和充电功率的情况下，一定要控制发热，其关键是要把功率器件的损耗降低，这方面GaN的优势就得到了很好的体现。另一方面，随着功率的提升，占板面积变大，智能手机这些小型的设备对占板面积要求非常苛刻，大部分面积用于电池和摄像头等模组，要在尽可能小的占板面积内实现更大的功率，就面临着非常大的挑战。这就是另一个设计关键，在提升功率的时候，怎样保证占板面积不变甚至缩小。在这里GaN的高频特性又发挥了重要作用。

 

因此，GaN高频特性带来的优势不仅仅是性能上的收益，在减小面积、周围感性器件、容性器件的使用减少等方面更是整个BoM的收益。而高频只能在低压的场景下来实现，不可能在高压650V把频率做到1MHz以上，因为现阶段的变压器的磁性器件还无法匹配频值的升高。在低压范围内，现有的BCD工艺，CMOS的集成或分立工艺的频率，小功率应用最高能做到1.2MHz，大功率的应用例如服务器电源在700KHz左右。GaN器件频率理论上在大功率下可以达到10MHz，小功率下更高。因此只有把频率做高，才能真正发挥氮化镓的优势，也就意味着在当前低压应用能够最大程度地发挥其优势。

 

30V-40V的GaN器件可支撑消费类电子产品主板充电密度和功率的大幅提升。长期来看，以GaN为基础的48V电源架构的革新，将实现消费类电子产品主板电源的“All-GaN”解决方案。因此，不论是智能手机、数据中心，5G或是电动汽车等对功率器件同样要求更小尺寸、更大功率、更低损耗的低压氮化镓应用，将成为未来氮化镓主要的增长市场。

 

Yole对GaN功率器件市场的预测，但行业普遍认为该数据较为保守

 

随着各领域SoC集成度、数据处理能力的大规模提升，对其供电系统的高频、高功率密度需求越来越迫切。这种市场诉求，结合低压氮化镓技术的不断成熟，竞争力提升，将大大加速低压氮化镓生态的发展和成熟，成为氮化镓大规模商用的真正爆点。根据Yole估计，在0~900V的中低压应用中，GaN都有较大的潜力。按照整体市场154亿美元来推测，占据68%的该部分低压市场都是GaN的潜在市场，约有105亿美元。

 

 

在2019年之前，GaN功率器件主要还是一些小众应用领域。但自从使用GaN技术的智能手机快充（>28瓦）问世后，其更小的外形尺寸、更高的效率和性价比，使之在手机以及笔记本电脑应用中备受青睐。GaN的主要应用是开关电源(SMPS)，因为它可满足快速开关和高效率的需求。IHS Markit预测便携电源适配器（<100瓦）、服务器电源、车载充电器和无线充电预计是其主要的增长领域。我们现在看到，氮化镓技术开始在便携电源适配器中加速使用，随着这一领域获得成功，预计它将会在更高功率、更为关键的一些应用领域得到应用。

 

以30-60V平台的为例，这部分低压GaN主要面向消费电子市场，而消费电子设备每年全球的出货量约在20亿台，包括智能手机、笔记本电脑等，由于这些市场对价格极其敏感，氮化镓将首先在高端领域采用。而高端智能手机每年出货约7亿台，笔记本电脑1亿台左右。现有的技术平台，每一台设备中GaN的机会点保守估计在4-5颗器件，每年总计就是约30亿颗GaN芯片的机会点。与此同时，GaN技术也将同其他半导体技术一样，从消费电子市场向汽车、工业等应用扩展，不过这两者的生态培育周期较长。

 

长期来看，低压GaN将从消费类市场的发展开始，在大规模量产中持续进行工艺改进，随后来到一个长期稳定增长的黄金发展期。随着用户对供电系统电源功率密度需求不断增加，以及功率器件设计和工艺水平的不断提升，在产业链各方的努力攻关下，继快充等高压应用爆发，低压GaN功率器件也将在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。