在過去幾年時間中，寬禁帶半導體成為市場熱點，與傳統(tǒng)的硅相比，基于氮化鎵和碳化硅等新材料的晶體管可以大幅提高電源轉換器的效率，具有更好的性能和可靠性，因而在包括電力電子、新能源汽車、光伏儲能、數(shù)據(jù)中心等領域受到了青睞。
碳化硅因近年來新能源汽車的迅速發(fā)展而受到矚目，但它更側重于高壓應用，尤其是新能源紛紛上馬的800V電壓平臺，成為了它最好的展示舞臺。
而氮化鎵相比之下就顯得低調許多了，此前大家了解到它，還是因為手機充電器的大范圍應用，但許多人并不知情的是，氮化鎵正在成為AI產品中的不可缺少一環(huán)，包括Chat-GPT在內的各路大模型背后，少不了氮化鎵的支撐。
關于這一點，半導體行業(yè)觀察此次專程采訪了宜普電源轉換公司（EPC）首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow，作為20世紀70年代硅功率MOSFET技術的共同發(fā)明人，他又是如何看待如今氮化鎵市場的呢？
為何氮化鎵成為焦點？
氮化鎵是如何與AI產生聯(lián)系的，這件事還要從它的特性說起。
前面提到的碳化硅固然能在800V以上的高壓平臺上大顯神通，但它也有自己的局限性。首先就是成本難題，要在碳化硅制造領域站穩(wěn)腳跟，需要專用于碳化硅的昂貴設備：碳化硅晶圓的生長溫度超過 2700℃，生長速度至少比硅慢 200 倍，而且需要消耗大量能源。
形成鮮明對比的是，氮化鎵基本上可以使用與硅加工相同的設備，其中氮化鎵外延晶片可以在其各自的基板上以 1000 至 1200℃ 的溫度生長——而這還不到碳化硅的一半。
除此之外，與碳化硅和硅相比，氮化鎵器件在相同的額定電壓下，每單位面積的導通電阻值要低得多，這也使得氮化鎵芯片和其封裝尺寸能夠做到更小。且由于氮化鎵器件開關快，因此在可實現(xiàn)更高的開關頻率、縮小無源元件的情況下，不需要依靠機械散熱，就可以實現(xiàn)更小更輕的解決方案。
總而言之，就是在性能不變的情況下，氮化鎵功率器件能夠更小更輕。
Alex Lidow也談到了氮化鎵的優(yōu)良特性，他表示，不論是熱效率、集成度還是功率密度，氮化鎵都遠勝硅MOSFET，已是近兩年功率器件發(fā)展的一大趨勢。
而在許多廠商所顧忌的價格上，Alex Lidow以EPC的100V氮化鎵晶體管為例，“實際上，低壓氮化鎵器件的價格一直與硅 MOSFET 相差無幾，”他說到，“和具有類似導通電阻的硅MOSFET進行價格對比，它們的價格處在中游，由于它的優(yōu)良性能，反而凸顯出了性價比。”
氮化鎵的這些特性讓它在擅長的領域中表現(xiàn)出了驚人潛力。Yole Group的報告指出，盡管 2023 年整個半導體行業(yè)下滑約 8.2%，但功率氮化鎵收入?yún)s增長了 41%，其指出，這一增長勢頭將在 2024 年繼續(xù)，增幅達 45%，到 2025 年將加速至 65%，預計 2023-2029 年期間收入將以 46% 的復合年增長率 (CAGR) 增長。
值得一提的是，如此高的增長速度之下，氮化鎵的市場應用前景依舊非常廣闊。
從數(shù)據(jù)中心，到航天衛(wèi)星
在談到氮化鎵的市場應用時，Alex Lidow提出了一個很有意思的觀點，即現(xiàn)在的氮化鎵正處于1988年MOSFET所處的位置，行業(yè)即將被顛覆的臨界點。
MOSFET當初是如何取代最早的雙極晶體管的，作為MOSFET技術的共同發(fā)明人，經歷了市場幾十年來變化的Alex Lidow，顯然是最有發(fā)言權的專家之一。
他回憶道，MOSFET 的第一個發(fā)展臨界點來自于臺式電腦，蘋果和 IBM 都采用了基于 MOSFET 的 AC-DC 電源，而后，用于高速繪圖儀的電機驅動器和防抱死制動系統(tǒng)也開始廣泛應用MOSFET，這些應用迅速推動了MOSFET的普及。
“1988年，得益于更高的產量和大量的資本投資，MOSFET 的生產成本已低于雙極晶體管，市場格局被徹底顛覆，”Alex Lidow說到，“MOSFET 正式達到了臨界點，而這也正是氮化鎵如今所處的位置。”
臺式電腦催生出了新的市場，最終推動了MOSFET取代雙極晶體管，而氮化鎵想要取代MOSFET，又可以從哪些應用方向著手呢？
首當其沖的當然是前文就已經提到過的AI，事實上，包括AI數(shù)據(jù)中心在內的基礎設施市場，有望成為未來幾年氮化鎵最重要的增長來源，原因很簡單，AI推動了對數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模迅速膨脹，從幾千張GPU到幾十萬張GPU，對電源方面的需求空前龐大。
而更好的消息是，包括數(shù)據(jù)中心在內的基礎設施市場所需器件的平均銷售價格 (ASP) 將高于消費設備的平均銷售價格，未來有望進一步拉高氮化鎵市場的收入。
Alex Lidow表示，目前全球各地正處于AI市場快速發(fā)展的初期階段，特別是在AI電源供應方面，每塊英偉達GPU都需要一個氮化鎵電源模塊，光是今年，EPC就已經生產了超過100萬個AI電源模塊。
“這僅僅是開始，不止是英偉達，AMD、阿里巴巴、谷歌、微軟、亞馬遜和Meta等公司都在建設AI服務器，AI技術發(fā)展越快，氮化鎵應用的市場前景就越廣闊。”他說道。
除了AI市場以外，還有兩個氮化鎵應用的重要領域，分別是是新能源汽車和人形機器人。
盡管目前在700V以上的市場，碳化硅的使用更加主流，但在700V之下，氮化鎵幾乎成了最優(yōu)解，尤其是受電動汽車熱潮及其對車載充電器和 DC-DC 轉換器的需求推動，氮化鎵技術也有望大批量進入汽車市場。
據(jù)了解，汽車廠商已經在激光雷達中使用氮化鎵，預計未來需求將繼續(xù)擴大，Yole Group 預測，到 2029 年，汽車和移動出行領域的氮化鎵收入可能超過 7.5 億美元。
Alex Lidow在采訪中提到，目前宜普的氮化鎵技術被廣泛應用于自動駕駛汽車的激光雷達傳感器中，同樣也用于人形機器人的激光雷達傳感器。此外，人形機器人中的電機數(shù)量可達40個，這些電機也依賴于宜普的氮化鎵技術。
“在人形機器人中，我們的氮化鎵技術無處不在，例如機器人的眼睛是激光雷達系統(tǒng)，而激光雷達幾乎都使用氮化鎵，除此之外，機器人的電機也需要高扭矩和高效率，而氮化鎵技術也可以提供更高的效率。” Alex Lidow說道。
目前激光雷達技術已不再僅限于自動駕駛汽車，還擴展到了無人機、智能城市和倉庫等多個領域，在可預見的未來，每一個激光雷達背后都意味著一個氮化鎵電源模塊，其市場之廣闊可見一斑。
除了以上幾大應用之外，消費電子領域仍然是氮化鎵最大的應用市場之一，采用氮化鎵技術的快速充電器已經成為了相當成熟的一種產品，氮化鎵在這一市場中，正在逐步擴展至家用電器電源和智能手機的過壓保護裝置之中。
不難發(fā)現(xiàn)，與近一年來屢次受挫的碳化硅相比，氮化鎵擁有著更高的增長潛力，我們相信，伴隨著技術的繼續(xù)發(fā)展，氮化鎵的應用也會愈發(fā)廣闊，能在在寬禁帶半導體這一領域中拿下更多市場份額。
未來可期的氮化鎵
如今，我們談及氮化鎵發(fā)展時，已經繞不開由Alex Lidow所創(chuàng)辦的宜普，作為氮化鎵功率器件廠商中的翹楚，不僅在技術上占據(jù)著先發(fā)優(yōu)勢，也在市場中表現(xiàn)出了強大的競爭力。
“GaN 正成為那些渴望保持領先地位公司的首選技術，” Alex Lidow 在接受采訪時表示。“我們于 2010 年 3 月開始量產首批氮化鎵系列器件，比該領域的其他公司都要早，還率先在2014年推出了增強型技術和氮化鎵功率 IC。”
而在市場方面，從收入結構看，截至2024年第三季度，宜普有約50%收入來自DC-DC（電源轉換），30%來自雷達，20%來自電機；從應用市場看，宜普約25%收入來自AI服務器、25%來自航空航天、30%來自汽車電子，剩下20%則涵蓋消費電子、工業(yè)等應用。
值得一提的是，由于近年來中國對于各種新技術的應用程度非常快，其中許多新產品都用到了氮化鎵器件，因而中國市場在宜普的發(fā)展規(guī)劃中也占據(jù)了非常重要的地位。Alex Lidow表示：“從區(qū)域來看，我們在美國和中國的業(yè)務規(guī)模相當大，中國市場對我們尤為重要，因為它對新技術的接受速度非常快。”
盡管氮化鎵技術才剛剛起步，僅在過去幾年才開始投入商業(yè)化，但它對比傳統(tǒng)的硅器件已經表現(xiàn)出了無可爭議的優(yōu)越性，其未來一片光明，宜普作為這一市場的最早參與者之一，勢必要爭一爭鰲頭。
Alex Lidow對此表現(xiàn)得非常自信，“EPC的氮化鎵器件擁有市場上最高的性能，沒有競爭對手能夠與我們的效率匹敵，”他說到，“我們每年都在改進產品，并且改進速度比競爭對手快得多，只要技術保持領先，那么我們能保證競爭中的優(yōu)勢。
