氮化镓的拐点

GaN Systems首席执行官Jim Witham认为，由于电动汽车、数据中心和工业电机等多个领域的销量激增，氮化镓器件现已达到拐点。

在过去的几年里，由于器件出货量的巨大增长，以及芯片制造商的几次大规模产能扩张，SiC一直占据着新闻头条。
但是，尽管有这种狂热的活动，SiC并不是增长最快的宽带隙半导体。加拿大无晶圆厂公司GaN Systems的首席执行官Jim Witham表示，这一荣誉实际上属于GaN，它现在正处于一个拐点。
支持这一说法的是Yole Intelligence的一项预测。“他们显示目前GaN功率晶体管销售额为2亿美元。四年内，这一数字将达到20亿美元。这是十倍型的增长，这是一个拐点。“Witham评论道。

他说，就GaN的市场规模和机会而言，电动汽车领域无疑位居榜首。在这一领域，GaN Systems处于领先地位，拥有唯一的生产计划。GaN电子产品的第二大机会是消费电子——那里有来自Power Integrations和Navitas等公司的竞争；其次是音频和数据中心。“我们是[数据中心]的绝对领导者，”Witham说，他声称公司对许多不同领域的出货量使其成为业内最大、最广泛的GaN电子供应商。

由于电动汽车行业的保守性，该行业任何供应商的成功都是来之不易的。由于意识到这一点，在公司成立初期，Witham指示工程师既要开发低压、低电流部件，也要开发高电压、高电流部件，以便在电动汽车市场开始起飞时，GaN Systems能处于一个有利地位，很好地产生销售。
“五六年前，我们与几个客户坐下来，确定了一个名为AutoQual+的计划， 它建立在AECQ 101的基础上，AECQ 101即汽车晶体管的规格。“Witham解释道。
作为这项工作的一部分，GaN Systems引入了专门针对GaN器件故障机制的测试。这一举措得到了回报，让客户相信该公司的器件具有足够的可靠性，可以部署在电动汽车中。
“这样做使我们比其他GaN公司领先五六年，”Witham评论道，“我们已经付出了艰苦的努力。”
这家加拿大芯片制造商生产的零件包括可提供高达 150 A 电流、开关电压高达 650 V 的部件，适用于运行功率高达 250 kW 的牵引逆变器。GaN Systems还提供更高电压的解决方案，使其有机会部署在400 V的小型电动汽车和800 V的更强车型中，那里有更多的设计正在出现。
对于大多数人来说，对GaN功率器件的认识可能来自于它在快速充电消费电子产品中所发挥的功能。
“这催生了一个新术语，即GaN充电器，”Witham兴奋地说，“人们要么有一个充电器，要么有一个GaN充电器。
他认为，这个术语为拐点提供了进一步的证据：“人们想要一个氮化镓充电器。他们不想再拖着硅时代的大块旧砖。”
这种从硅到GaN的转换所带来的小型化也存在于音频器件中——但对音频器件来说，这个好处只是吸引力的一部分。
Witham认为，此外，还有更好的保真度。当他和客户一起坐在音响室里，将相同音乐的相同录音通过由GaN或硅驱动的放大器播放，并列比较时，他对这一属性相当欣赏。“我还担心我无法分辨出其中的区别，”Witham承认自己的耳朵并不敏锐。但他却被震撼了。“这真是太神奇了。”
GaN的威力并没有瞒过数据中心的一些知名公司，英特尔和惠普都采用了包含这种材料的电源。
“他们的运营费用清单上的首要项目是运行服务器的能源，因此他们重视高效率，”Witham 说。然而，这并不是GaN的唯一优势。这些公司的收入来自计算和内存能力，引入GaN后，这种能力会得到提高，因为它节省的空间允许在服务器中安装更多的处理器或更多的内存。
GaN发挥作用的另一个领域是可再生能源领域，它被用于提高和降低电压，并在交流和直流波形之间切换。SiC也在这一领域竞争——它和GaN通过提供高效率和在更高频率下工作的能力，从硅手中夺取了市场份额，从而缩小了转换器的尺寸和重量，同时提高了功率密度。
Witham认为，从硅迁移到SiC所带来的频率增加相对温和，从通常的100 kHz转移到200 kHz。而GaN则是一个全新的范围，客户能够在1、10甚至100 MHz的频率下使用它。
“使用碳化硅系统，您可以使其尺寸减半，重量减半；而使用GaN系统，您可以使其尺寸减半后再减半，重量也减半后再减半。碳化硅确实击败了硅，但GaN在功率、密度和效率方面击败了碳化硅。”
这并不是说SiC在可再生能源领域已经失败。Witham说，这个竞争对手仍然有其作用：“碳化硅在非常高的电压、非常高的功率情况下往往很好。”
半导体行业最近最大的发展是通过美国的 2022 年《芯片和科学法案》和《欧盟芯片法案》注入了大量政府资金。根据Witham的说法，这对化合物半导体行业的影响至少与硅行业的一样大。他指出，由于建造一个在最新节点上运行的、用于生产尖端IC的晶圆厂需要巨额资金，因此资金更有可能支持需要较少资本支出的设施的扩展，这些设施可以为模拟和电源应用生产芯片。更多具有GaN能力的晶圆厂可能会出现，这一发展将使Witham感到高兴，因为它将使公司能够在这一拐点及以后的日子更加闪耀。
“我们的客户希望看到我们在多个地区制造零件，以便具有一定的供应链弹性。这些资金来源将对此有所帮助。”

为了确保客户在有极高可靠性要求的应用中的认可，GaN Systems与汽车、工业和高可靠性行业的客户直接合作，为GaN功率半导体开发了第一个认证策略和工艺，称为AutoQual+认证标准。在需要更高功率的车辆应用中（如车载充电器和逆变器），通过使用GaN晶体管来提高功率效率，这一点与新的电池技术一样至关重要。

来源：化合物半导体杂志