GaN快充技术达巅峰，中低压市场迎来革新应用浪潮

集微咨询（JW insights）认为，本土GaN厂商可以以门槛较低的消费电子为突破点，提升在材料、器件、制造工艺等方面的技术水平并在下游应用中进行充分验证，积累更多量产、商业化经验再向数据中心、电动汽车等要求更高的行业进军。

集微咨询（JW insights）认为：

- PD快充拉开GaN市场爆发的序幕，渗透率远高于行业预期。

- 中低压GaN将在更多消费电子电源、工业（数据中心）、电动汽车等领域大展拳脚。

- GaN功率器件大规模应用仍面临制造、可靠性、成本等方面挑战。

- 国产GaN厂商可以以消费电子应用为突破点，积累技术和市场经验后再向门槛更高的工业、汽车应用进军。

10月20日，纳微半导体在美国纳斯达克上市，成为全球首家氮化镓（GaN）功率芯片上市公司，总市值超过10亿美元。随着手机快充大规模采用，GaN高频高效的优势充分展现，受益于这一轮的东风，TrendForce预计纳微将以29%的出货量市占率拿下今年全球GaN功率市场第一名。

在《集微咨询：千呼万唤始出来的苹果GaN快充，拉开下一个GaN爆点的序幕》中集微咨询（JW insights）分析指出，随着中低压GaN技术不断成熟，竞争力提升，这将大大加速GaN生态的发展和成熟，成为GaN大规模商用的真正爆点。如果按照工作电压来分类，全球功率器件约68%应用在0~900V的区间。如果以2021年442亿美元的功率器件市场来看，全球GaN功率器件的潜在市场规模约300亿美元。如果能弥补制造、可靠性、成本等方面的不足，继快充等高压应用爆发之后，中低压GaN功率器件将有望在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。

消费电子

GaN功率器件在快充领域的应用拉开了市场爆发的序幕。CASA Research数据显示，2020年国内PD快充GaN功率器件市场规模约1.5亿元人民币，预计到2025年市场规模将超过40亿元，年均复合增长率97%。而2020年全球PD快充GaN功率器件器件市场规模超过3亿元，预计到2025年市场规模将超过82亿元，年均复合增长率90%。

此前Yole预测，至2024年GaN电源市场CAGR可高达85%，集微咨询（JW insights）认为，从当前的情况来看，GaN功率器件器件在PD快充领域的实际渗透速度远远高于预期。

OPPO在今年7月举行的闪充开放日交流活动上，首次将低压GaN应用在了手机内部电路上，用一颗GaN开关管取代两颗串联的硅MOSFET，实现快充充电的路径管理。随着GaN的大规模生产，成本进一步降低，低压GaN应用市场还将进一步拓宽，更多使用传统硅器件的场合，如电脑主板、笔记本主板上面的核心供电、车载充电器、逆变器等，内部的硅器件将被GaN所取代，获得更轻更小的产品体验。

集微咨询（JW insights）认为，接下来在低压、小功率电源领域，包括LED驱动电源、电动工具电源、消费电源、D类音频功放、手机无线充电等应用中，GaN功率器件将有望成为驱动市场的新力量。

Orchard Audio的基于GaN Systems GaN技术的500W立体声氮化镓流媒体Hi-Fi音频放大器（左上）

例如随着GaN晶体管技术的应用，消除了Qrr（反向恢复电荷），Coss（输出电容）也大幅度降低，在确保提供最好THD + N结果的同时，能够以更高的开关频率运行。小巧封装所固有的低RDS(on) (max)使D类GaN放大器可以在小体积内提供高音频保真度，而无需笨重的散热解决方案。如今有越来越多的的音频品牌生产基于GaN的放大器。

电动汽车

在去年的PCIM Europe 2020展会上，GaN Systems介绍了一款All-GaN（全氮化镓）汽车，采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性，同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。如今，已有多家企业尝试让GaN“上车”，在牵引逆变器、DC/DC、车载充电器、LED照明驱动领域跃跃欲试。

2020年6月，安世半导体推出新一代650V GaN FET，应用于车载充电器、高压DC/DC转换器和发动机牵引逆变器；11月TI推出了首款面向汽车应用的带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的650V GaN FET；2021年5月ST宣布推出STi 2 GaN解决方案，适用于车载充电器、用于自动驾驶的LiDAR、双向DC/DC转换器、D类放大器和电源转换系统……

与硅功率器件相比，GaN功率器件的优势在于最大可提高四倍的开关速度、电压和电流交叉损耗更低、功率密度最高可提升40%、降低整车系统重量和成本等。集微咨询（JW insights）认为，未来GaN功率器件在电动汽车牵引逆变器(650V/900V GaN)、48V/12V DC/DC(100V GaN)、车载充电器(650V/900V GaN)、激光雷达(100V GaN)雷达等应用中得到大规模应用。

Yole数据指出，传统汽车和新能源汽车会是GaN功率器件的全新应用场景，到2026年市场规模将从2020年的30万美元增加到1.6亿美元。

工业（数据中心）

随着5G、物联网、人工智能、自动驾驶等新一代信息技术的快速演进，要求数据中心有更强的计算能力、更大的存储能力及更快的传输能力，服务器单机柜的功率也随之不断提升。研究机构数据显示，中国数据中心用电量持续快速增长，2019年~2023年年均总能耗增长率高达10.64%。

研究指出，如果全球采用硅器件的数据中心都升级为GaN器件，将减少30~40%的能源浪费，相当于节省了 100兆瓦时太阳能和1.25亿吨二氧化碳排放量，对“双碳”目标是一个强有力的支柱。

GaN器件用于从交流电（AC）到直流电（DC）的电源转换，然后用于转换负载的直流（DC）电源，可以将整体效率从原来的77％提高到84％。传统的电源机柜，差不多需要10个电源供应30个服务器，而使用GaN器件的电源模块由于能量密度高，6个电源就可以带动34个服务器，能量密度提升就使得硬件尺寸更小，无需建造更多数据中心就可以放置更多服务器，实现数据中心容量增长。行业数据指出，基于GaN、用于服务器和数据存储产品的电源装置(PSU)每年可为大型数据中心运营商减少超过1亿美元的能源成本，并减少近100万公吨的二氧化碳排放量。

我国也已经在“十四五”计划中将建设“面向大数据中心应用的GaN基高效功率电子，应用于数据中心电源的GaN电力电子器件”提上日程。预计，未来这个市场复合年均增长率将达到66.5%。

GaN仍需克服的挑战

GaN在性能、效率、能耗、尺寸等多方面较市场主流的硅功率器件均有数量级的提升，但制造GaN器件所涉及的每一道工序相较硅器件要求都更高，以获得最佳的器件性能和可靠性。实现快速开关、高功率密度和高击穿电压的GaN器件，需要高质量的外延，Si衬底上GaN外延最大的挑战来自于热失配以及晶格失配引入的残余应力，应力会导致外延片发生龟裂、翘曲等一系列问题，因此需要引入AlN或AlGaN层来解决应力调控等问题；另一方面，Si 和GaN 之间的晶格失配也会在外延层中引入大量的缺陷，降低了材料的晶体质量以及器件的性能，因此需要增加Si 衬底GaN外延层的厚度来降低缺陷。

集微咨询（JW insights）认为，在制造方面，GaN仍面临以下关键挑战：

首先是原始创新能力较低。国内开展GaN等第三代半导体器件和材料的研究比较晚，与国外差距较大，且GaN是涉及重要国防军工产品的关键技术，国外对我国实施相关技术封锁，因此当前我国在该领域核心材料、器件等方面的原始创新能力仍然薄弱。

其次是国内GaN器件的外延技术仍待提升。目前大多数GaN功率器件均采用硅衬底，而硅基GaN外延片制备技术仍然存在应力调控、晶格失配等问题，在原材料配方设计、制造工艺技术、配套设备工艺设计、自主研发能力、资本实力、产业链资源等各方面的能力储备缺一不可。

其中，GaN的外延生长方面面临的挑战更为突出，缺陷密度、晶圆内均匀性和技术产业化都是业内探索的重点。尤其是随着GaN器件制造逐渐从6英寸向8英寸晶圆过渡，鉴于GaN和硅在膨胀过程中不同的晶格常数和热系数，在硅上生长外延GaN以形成稳定可靠的HEMT，这从超晶格结构和应力控制方面来说是一个非常具有挑战性的工艺。

成本也是GaN迟迟不能进入主流应用的阻碍之一。多年来随着技术和产业的不断发展，人们逐步认识到GaN的性能优势，包括更高的功率密度和功率效率，但许多电源系统制造商（尤其是对价格敏感的消费类电源制造商）还是选择等待GaN功率器件价格逐步接近硅器件时才开始应用。对此，GaN也如同传统半导体材料、器件的发展规律一样，大规模量产可帮助有效降低成本。比如，一个月产能4K片的晶圆厂和一个月产能40K片的晶圆厂，其晶圆的成本可能会相差好几倍。

在这方面，今年6月国产厂商英诺赛科（Innoscience）全球首个8英寸硅基GaN晶圆厂投产，助推其出货量市占率从2019年的6%一举攀升至今年的20%，跃升为全球第三，可见IDM模式优势将在GaN产业高速发展中逐步显现。

集微咨询（JW insights）认为，当前较为普遍的6英寸晶圆用来做低压GaN没有任何优势，其性价比与硅器件相比无法体现，这是低压GaN面临的一个困境。然而近年来GaN的制造开始逐步转向8英寸晶圆，可以提高性能的同时将生产成本降下来，这是降低低压GaN器件成本的一个关键点。随着出货数量快速增长，GaN功率器件价格已经逼近硅MOSFET的价格，将促使市场越来越广泛地采用。

另一方面，GaN器件的平均价格在不断降低。根据分销商Mouser数据，2020年80%的在售GaN HEMT产品为耐压650V，100V、900V仅有少数几款。技术和价格均不稳定。650V产品到2020年底平均价格约为2.73元/A，与2019年同期相比下降了23.5%。尽管市场需求火爆和疫情影响供应链导致原材料价格上涨，GaN芯片在供不应求的状况下依然呈现出整体价格下滑的趋势。CASA Research数据指出，2020年底，面向PD快充的650V GaN HEMT实际成交价格区间已经来到0.5元/A以内，与硅器件的价差已经缩小到1.5倍以内，已经达到了甜蜜点。考虑上系统成本(包括周边的散热、基板等成本)和能耗等因素，GaN模组已经具备一定竞争力。

结语

更低的能耗是行业不变的追求。随着需求端对供电系统电源功率密度需求的不断增加，供应端功率器件设计和制备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后，GaN功率器件将在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。

随着我国“双碳”目标确立提速，对第三代半导体需求猛增，产业的关注度日益增高，国产化需求下，促使GaN在更多领域的应用的渗透率将进一步加深。集微咨询（JW insights）认为，本土GaN厂商可以以门槛较低的消费电子为突破点，提升在材料、器件、制造工艺等方面的技术水平并在下游应用中进行充分验证，积累更多量产、商业化经验再向数据中心、电动汽车等要求更高的行业进军。

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