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雙成長引擎驅動的第三代半導體材料 - 氮化鎵GaN(上)
超快速充電、5G通訊射頻元件是氮化鎵(GaN)的雙成長引擎!

第三代半導體材料的氮化鎵(GaN)在藍、綠光LED及雷射領域早已獲得廣泛應用,但隨著行動裝置對快速充電、綠能對能源轉換效率、5G對高頻率通訊的需求,GaN跟SiC已成為眾多廠商必爭的技術。

台積電在2020年2月宣布與意法半導體(STMicroelectronics)合作開發GaN製程技術,蘋果(Apple)預計2021年推出採用GaN技術的筆電充電器。而5G追求快速低延遲,無論是Sub-6頻段、mmWave毫米波,都需要大量的微型天線與基地台,GaN元件的小尺寸、高頻率、高功率特性,成為5G通訊普及的必要根基

第三代半導體材料,GaN氮化鎵應用領域,涵蓋消費、綠能、通訊
氮化鎵GaN應用廣泛,涵蓋消費、綠能、工業、電動車等領域,資料來源:GaN Systems


氮化鎵、碳化矽的差異

同為第三代半導體材料,GaN、SiC的差異主要在:

  • GaN有更快的頻率:適合消費裝置充電、輕油電、混合動力,5G射頻通訊應用
  • SiC有更高的耐電壓能力:適合電動車、超充站、運輸車輛、能源等需要更高電壓的應用

根據意法半導體的資料,SiC與GaN有部分電壓等級和頻率是重疊的。SiC主要針對600V~3.3kV 適用於電動車市場高壓的應用;而GaN則可望在100V~600V的電力電子開闢新的前景。

此外,GaN具備超過1 MHz的高切換頻率(switching frequency),也因此GaN除了在電源充電領域的應用外,在5G無線通訊上有更大的市場機會

實際應用上,SiC具備較佳的技術成熟度,因此市場正迅速成長,且在xEV市場的應用也日益廣泛。關於SiC的介紹,請參考另一篇關於SiC的介紹文章


SiC、GaN與Silicon在功率輸出、切換頻率的特性比較




GaN氮化鎵在快充、電源上的應用

體積小、低發熱、高瓦數的特性讓GaN非常適合使用在消費型電子產品的快充上,而高耐壓的特性讓GaN在汽車、工業、電信等領域能發揮最大競爭優勢。

消費領域

GaN其實已經主宰了行動裝置快速充電的市場,2020年市場上已有超過100種採用GaN技術的手機、筆電充電器,充電速度快並且體積更小。

2019年9月Oppo發表了65W的Super VOOC閃充技術,開啟了GaN HEMT(高電子遷移率電晶體)於手機充電領域的大門。,

大陸媒體小白評測比較2019年旗艦手機充電速度,採用GaN技術的Oppo SupperVOOC 2.0技術,只需要27分鐘即可充滿4000mAh的電池,性能遠遠超過其他廠家。

2019年Oppo採用基於GaN的快充技術與其他手機充電速度對比

未免落於人後,不到兩年時間內,各家安卓手機廠商都已提供GaN技術的快充方案,只有在低於的60W充電應用上,還會使用傳統的Si晶片技術。

各大手機品牌充電器採用技術,資料來源:Navitas Semiconductor, 2021


汽車領域

除了消費電子領域,GaN在汽車領域也有很廣泛的採用機會,例如48V混合動力、DC-DC電壓轉換、車內無線充電、車內資料中心伺服器,甚至於光達的高功率雷射驅動等,都是適合採用GaN的領域。

GaN於汽車領域應用,資料來源:GaN Systems

氮化鎵功率半導體市場 - 成長30倍到3.5億美金

碳化鎵GaN功率半導體應用上由消費電子在2018年展開序幕,預估到2024年將擴展到汽車應用,市場可成長到3.5億美金。低於600V的應用,GaN最有競爭力,超過800V則SiC會是最佳選擇。

長期來看消費電子汽車工業為GaN功率半導體的三個主要應用領域。





氮化鎵GaN vs 矽Si的優勢

相較於傳統的Si材料,GaN的特點與優勢有以下幾點:

  • 更低的導通電阻:降低了損耗、提高能源轉換效率
  • 更快速的電子遷移速率:提高交流電路頻率,減少外部所需元件、體積
  • 更高的耐電壓能力:更高瓦數充電,提高充電速度

簡而言之,GaN可以實現更大功率、更高電源效率、更小的裝置體積、更低的系統成本。

在電源供應上,GaN較Si的競爭優勢 - 資料來源:GaN Systems


GaN功率半導體投資機會

目前投入GaN功率半導體的公司眾多,從上游的基板、磊晶、晶圓製造、晶片設計、整合元件製造商等。其中成長性高的晶片設計商除Power Integrations外都還沒上市,目前主要投資機會在上游基板、磊晶跟晶圓代工。

另外IDM整合元件製造商財務能力佳、競爭力強者也可以考慮,唯一就是GaN對其目前營收占比並不高。

GaN功率半導體元件廠商及商業模式

  • 上游SiC基板:Cree、II-VI、Rohm;
  • 磊晶:Cree、日本DOWA、環球晶圓、漢磊、嘉晶;
  • 晶圓代工:台積電($TSM)、漢磊(Episil)、嘉晶、世界先進(VIS);
  • 晶片設計:GaN Systems(台積電代工)、Navitas(台積電代工)、EPC(漢磊代工)、Transphorm、Power Integrations($POWI);
  • IDM整合元件製造商:Panasonic、Rohm、On Semiconductor($ON)、意法半導體($STM)、德州儀器($TXN)、英飛凌($IFNNY/ADR)。



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