在過去的十多年里，行業(yè)專家和分析人士一直在預(yù)測(cè)，基于氮化鎵(GaN)功率開關(guān)器件的黃金時(shí)期即將到來。TrendForce 集邦咨詢近日發(fā)布了 GaN 氮化鎵市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告。報(bào)告顯示，盡管 2018 年至 2020 年以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)受到貿(mào)易摩擦、疫情影響增長(zhǎng)受到壓力，但 2021 年該產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)動(dòng)能有望高速回升，預(yù)計(jì) GaN 氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 6100 萬美元，年增長(zhǎng)率達(dá)到 90.6%。

一、第三代半導(dǎo)體行業(yè)概況：1.什么是第三代半導(dǎo)體?

第三代是指半導(dǎo)體材料的變化，從第一代、第二代過渡到第三代。

第一代半導(dǎo)體材料：鍺以及硅，也是目前最大宗的半導(dǎo)體材料，成本相對(duì)便宜，制程技術(shù)也最為成熟，應(yīng)用領(lǐng)域在資訊產(chǎn)業(yè)以及微電子產(chǎn)業(yè)。

第二代半導(dǎo)體材料：砷化鎵以及磷化銦，主要應(yīng)用在通訊產(chǎn)業(yè)以及照明產(chǎn)業(yè)。

第三代半導(dǎo)體材料：以碳化硅以及氮化鎵為代表，可應(yīng)用在更高階的高壓功率元件以及高頻通訊元件領(lǐng)域，是5G時(shí)代的主要材料。

氮化鎵是一種無機(jī)物，化學(xué)式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙(direct bandgap)的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器(Diode-pumped solid-state laser)的條件下，產(chǎn)生紫光(405nm)激光。2014年，日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二因發(fā)明藍(lán)光LED而獲得當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

GaN在1050℃開始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射線衍射已經(jīng)指出GaN晶體屬纖維鋅礦晶格類型的六方晶系。在氮?dú)饣蚝庵挟?dāng)溫度為1000℃時(shí)GaN會(huì)慢慢揮發(fā)，證明GaN在較高的溫度下是穩(wěn)定的，在1130℃時(shí)它的蒸氣壓比從焓和熵計(jì)算得到的數(shù)值低，這是由于有多聚體分子(GaN)x的存在。GaN不被冷水或熱水，稀的或濃的鹽酸、硝酸和硫酸，或是冷的40%HF所分解。在冷的濃堿中也是穩(wěn)定的，但在加熱的情況下能溶于堿中。

氮化鎵功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場(chǎng)主流的硅功率器件均有顯著數(shù)量級(jí)的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵功率器件的開關(guān)頻率可以高出1000倍;能量損耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系統(tǒng)成本可以大幅降低。

TrendForce 詳細(xì)介紹了作出此預(yù)測(cè)的原因。首先，新冠疫苗的問世有望緩解全球疫情，進(jìn)而帶動(dòng)工業(yè)能源轉(zhuǎn)換所需零組件如逆變器、變頻器等，以及通訊基站需求回穩(wěn)。其次，隨著特斯拉 Model 3 電動(dòng)車逆變器逐漸采用 SiC 碳化硅器件，第三代半導(dǎo)體于車用市場(chǎng)逐漸備受重視。最后，中國政府為提升半導(dǎo)體自主化，今年提出十四五計(jì)劃投入巨額人民幣擴(kuò)大產(chǎn)能，上述都將成為推升 2021 年 GaN 及 SiC 等第三代半導(dǎo)體高速成長(zhǎng)的動(dòng)能。

時(shí)下，多個(gè)廠商正在大量的生產(chǎn)GaN器件，這些GaN器件正在被應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)甚至要求極為嚴(yán)格的汽車領(lǐng)域的電力和電機(jī)控制中。他們的接受度和可信度正在逐漸提高。(請(qǐng)注意，基于GaN的射頻功放或功放也取得了很大的成功，但與GaN器件具有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，超出了本文的范圍。)本文探討了GaN器件的潛力，GaN和MOSFET器件的不同，GaN驅(qū)動(dòng)器件成功的關(guān)鍵并介紹了減小柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)耦合噪聲技術(shù)。

電源領(lǐng)域也是目前最大的應(yīng)用市場(chǎng)，高壓和低壓氮化鎵功率器件為交流-直流(AC-DC)、隔離型直流(isolated DC-DC)、負(fù)載點(diǎn)(point of load)功能帶來附加值。

對(duì)于低壓氮化鎵功率器件，市場(chǎng)也相當(dāng)有前途：隨著不同的無線充電標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，如Qi和AirFuel，氮化鎵電源多模器件可以方便地為系統(tǒng)集成商所用。

aN器件目前雖有部分晶圓制造代工廠如臺(tái)積電、世界先進(jìn)等嘗試導(dǎo)入8英寸晶圓生產(chǎn)，但現(xiàn)行主力仍以6英寸為主。因疫情趨緩所帶動(dòng)5G基站射頻前端、手機(jī)充電器及車用能源傳輸?shù)刃枨笾鸩教嵘A(yù)期2021年通訊及功率器件營(yíng)收分別為6.8億和6,100萬美元，年增30.8%及90.6%。

與應(yīng)用廣泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更強(qiáng)的功耗處理能力。這些優(yōu)勢(shì)正是當(dāng)下高功耗高密度系統(tǒng)、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)所需要的，可以說專家所預(yù)測(cè)的拐點(diǎn)已經(jīng)到來!對(duì)此，大家怎么看?