氮化鎵(GaN)的案例
碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰(shuí)是寬禁帶(WBG)材料的未來(lái)？
我們目前看到氮化鎵被用于低功率/電壓，高頻率的應(yīng)用中，而碳化硅被用于高功率，高電壓開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用中。由于SiC已發(fā)展十多年了，GaN功率元件是個(gè)后進(jìn)者，因此僅管GaN元件市場(chǎng)直起急追，但相較于前者，其市場(chǎng)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。
不過(guò)現(xiàn)在只是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，隨著近年來(lái)全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，對(duì)SiC/GaN等高性能功率元件的需求勢(shì)必會(huì)增大。因此相信在未來(lái)，無(wú)論是SiC還是GaN一定都能扮演比現(xiàn)在更重要的角色并融入各自的商業(yè)市場(chǎng)中。
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市場(chǎng)方面
近日，Yole Développement(Yole)估計(jì)了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這些寬帶隙材料的總體應(yīng)用情況。當(dāng)前，盡管硅在市場(chǎng)上仍占主導(dǎo)地位，但碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件在某些應(yīng)用中已經(jīng)是更有效的解決方案。
除意法半導(dǎo)體之外，碳化硅(SiC)領(lǐng)域的玩家還有英飛凌、羅姆和安森美，應(yīng)用領(lǐng)域主要是工業(yè)和汽車。
碳化硅(SiC)應(yīng)用市場(chǎng)趨勢(shì)
在功率GaN行業(yè)中，多家OEM與臺(tái)積電(TSMC)，X-Fab或Episil Technologies等建立晶圓生產(chǎn)合作。
氮化鎵(GaN)主要銷售給消費(fèi)電子市場(chǎng)，例如用于快速充電器，而且目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
展開(kāi) 65W氮化鎵（GaN)充電頭PD快充方案
方案概述：
尺寸設(shè)計(jì)：60mm*60mm*30mm
輸出規(guī)格：5V/3A, 9V/3A, 15V/3A, 20V/3.25A
輸入電壓：90-264 Vac @ 60/50Hz
輸出接口：USB-PD C型式,A型式
低待機(jī)功耗：空載損耗低于50mW
高效率：輸出20V重載時(shí)可達(dá)91.62%效率及功率密度可達(dá)1.5W/cm3
供電范圍：二次側(cè)同步整流控制IC及PD3.0協(xié)議IC
GaN/氮化鎵 - MGZ31N65的特性：650V, 6.5A, RDS (on)(typ.)= 250mΩ@VGS = 8V；非常低的QRR；減少交叉損失；符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)鹵素要求的包裝。支持2MHz開(kāi)關(guān)頻率，采用8*8mm QFN封裝，節(jié)省面積。
MGZ31N65芯片內(nèi)部集成650V耐壓，250mΩ導(dǎo)阻的氮化鎵開(kāi)關(guān)管；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器以及復(fù)雜的邏輯控制電路;支持輸出過(guò)壓保護(hù)，支持變壓器磁飽和保護(hù)，支持芯片供電過(guò)壓保護(hù)，支持過(guò)載保護(hù)，支持輸出電壓過(guò)壓保護(hù)，支持片內(nèi)過(guò)熱保護(hù)，支持電流取樣電阻開(kāi)路保護(hù)，具有低啟動(dòng)電流。
GaN/氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料經(jīng)常被用在PD快充里面；氮化鎵（GaN）擁有極高的穩(wěn)定性，將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
臺(tái)灣美祿在GaN/氮化鎵領(lǐng)域頗有建樹(shù)，技術(shù)以及產(chǎn)品方面已經(jīng)很完善，如果想了解更多GaN/氮化鎵的技術(shù)資料，歡迎致電聯(lián)系：133 9280 5792(微信同號(hào))
展開(kāi) 四川美闊推出：65W-1A2C接口氮化鎵（GaN)PD快充電源方案
GaN/氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料經(jīng)常被用在PD快充里面；氮化鎵（GaN）擁有極高的穩(wěn)定性，將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
四川美闊在GaN/氮化鎵領(lǐng)域頗有建樹(shù)，技術(shù)以及產(chǎn)品方面已經(jīng)很完善，如果想了解更多GaN/氮化鎵的技術(shù)資料，歡迎致電聯(lián)系：133 9280 5792(微信同號(hào))
為什么要特別關(guān)注氮化鎵（GaN）？
對(duì)于48V總線系統(tǒng)， GaN 技術(shù)可提高效率、縮小尺寸并降低系統(tǒng)成本。綜合來(lái)看，GaN 在汽車電子方面擁有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。
由于GaN充電器具有體積小、發(fā)熱低、功率高、支持PD協(xié)議的特點(diǎn)，GaN充電器有望在未來(lái)統(tǒng)一筆記本電腦和手機(jī)的充電器市場(chǎng)。隨著中國(guó)OEM廠商 OPPO在其 65W 快速充電器中采用 GaN HEMT，功率 GaN 正在進(jìn)入主流消費(fèi)應(yīng)用。
GaN 是藍(lán)光LED 的基礎(chǔ)材料，在 Micro LED、紫外激光器中有重要應(yīng)用。Micro LED被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)，而硅襯底GaN 基技術(shù)的特性是制造 Micro LED 芯片的天然選擇。
此外，GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外殺菌等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，也是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。基于氮化鎵半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發(fā)展方向。
展開(kāi) 
GaN/氮化鎵65W（1A2C）PD快充電源方案
近期美闊電子推出了一款全新的氮化鎵65W（1A2C）PD快充充電器方案，該方案采用同系列控制單晶片：QR一次側(cè)控制IC驅(qū)動(dòng)MTCD-mode GaN FET(MGZ31N65-650V)、二次側(cè)同步整流控制IC及PD3.0協(xié)議IC)可達(dá)到最佳匹配。
GaN/氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料經(jīng)常被用在PD快充里面；氮化鎵（GaN）擁有極高的穩(wěn)定性，將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
一、方案概述：
尺寸設(shè)計(jì)：60mm*60mm*30mm
輸出規(guī)格：5V/3A, 9V/3A, 15V/3A, 20V/3.25A
輸入電壓：90-264 Vac @ 60/50Hz
輸出接口：USB-PD C型式,A型式
低待機(jī)功耗：空載損耗低于50mW
高效率：輸出20V重載時(shí)可達(dá)91.62%效率及功率密度可達(dá)1.5W/cm3
供電范圍：二次側(cè)同步整流控制IC及PD3.0協(xié)議IC
二、芯片特性：
MGZ31N65芯片內(nèi)部集成650V耐壓，250mΩ導(dǎo)阻的氮化鎵開(kāi)關(guān)管；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器以及復(fù)雜的邏輯控制電路;支持輸出過(guò)壓保護(hù)，支持變壓器磁飽和保護(hù)，支持芯片供電過(guò)壓保護(hù)，支持過(guò)載保護(hù)，支持輸出電壓過(guò)壓保護(hù)，支持片內(nèi)過(guò)熱保護(hù)，支持電流取樣電阻開(kāi)路保護(hù)，具有低啟動(dòng)電流。
展開(kāi) 65W-1A2C接口氮化鎵（GaN)充電頭
2023年數(shù)碼圈中說(shuō)較多的莫過(guò)于氮化鎵（GAN）充電頭。氮化鎵+充電頭+65w究竟會(huì)產(chǎn)生怎樣的火花呢？單口充電頭和多口充電頭能解決什么問(wèn)題呢？不同品牌手機(jī)究竟怎樣才能選擇好適合自己使用的充電器呢？
氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢(shì)，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價(jià)格。
充電頭的工作原理：是將220v交流電轉(zhuǎn)化為直流電，在通過(guò)變頻的方式，將220V交流電變?yōu)?v直流電，從而為手機(jī)充電。上一代的充電頭材料是SI材料，現(xiàn)在更換為GAN材料。所以，氮化鎵充電頭，只是把以前的SI材料的充電頭中的SI材料，換為GAN。
因?yàn)楝F(xiàn)在科技更新越來(lái)越快，對(duì)于手機(jī)的依賴越來(lái)越高，同時(shí)電池的容量也越來(lái)越大，對(duì)于快速充電的需求也明顯加大，所以對(duì)于尋求新材料應(yīng)對(duì)如今快速充電也是急需面臨的事情。
氮化鎵功率器優(yōu)勢(shì)：
一、功率性比硅高900倍
二、易散熱、體積小、損耗小、功率大
三、耐高溫、開(kāi)關(guān)快、電阻低、耐高壓
氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢(shì)，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、手機(jī)充電頭、電動(dòng)機(jī)車、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
展開(kāi) 應(yīng)用在LCD顯示器電源插頭里的氮化鎵（GaN)MTC-65W1C
GaN/氮化鎵 - MTC-65W1C，本電源模組是65W單一C介面，其輸出電壓由協(xié)議IC可以控制5V/3A, 9V/3A, 15V/3A, 20V/3.25A等電壓輸出，使用QR/DCM反馳式電路架構(gòu)于輸出20V重載時(shí)可達(dá)93%效率及功率密度可達(dá)1.5W/cm3，本系統(tǒng)采用同系列控制單晶片：QR一次側(cè)控制IC驅(qū)動(dòng)MTC D-mode GaN FET(MGZ31N65-650V)、二次側(cè)同步整流控制IC及PD3.0協(xié)議IC)可達(dá)到較佳匹配。
GaN/氮化鎵 - MTC-65W1C優(yōu)勢(shì)：
返馳式穀底偵測(cè)減少開(kāi)關(guān)損失
輕載Burst Mode增加效率
較佳效能可達(dá)93%
空載損耗低于50mW
控制IC可支持頻率高達(dá)160 kHz
系統(tǒng)頻率有Jitter降低EMI干擾
控制IC可直接驅(qū)動(dòng)GaN
進(jìn)階保護(hù)功能如下：
(1) VDD過(guò)電壓及欠電壓保護(hù)
(2) 導(dǎo)通時(shí)較大峰值電流保護(hù)
(3) 輸出過(guò)電壓保護(hù)
(4) 輸出短路保護(hù)
可輸出65W功率
GaN/氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料經(jīng)常被用在PD快充里面；氮化鎵（GaN）擁有極高的穩(wěn)定性，將GaN用于充電器的整流管后，能降低開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，提升開(kāi)關(guān)頻率，附帶地降低廢熱的產(chǎn)生，進(jìn)而減小元器件的體積同時(shí)能提高效率。
臺(tái)灣美祿在GaN/氮化鎵領(lǐng)域頗有建樹(shù)，技術(shù)以及產(chǎn)品方面已經(jīng)很完善，如果想了解更多GaN/氮化鎵的技術(shù)資料，歡迎致電聯(lián)系：133 9280 5792(微信同號(hào))
展開(kāi) 功率半導(dǎo)體組件的主流爭(zhēng)霸戰(zhàn) —— 硅、碳化硅、氮化鎵的三角習(xí)題
至于氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)則由消費(fèi)性產(chǎn)品（如手機(jī)快充）、電信/通訊（如數(shù)據(jù)中心、太空衛(wèi)星通訊）及汽車產(chǎn)業(yè)（如電動(dòng)車內(nèi)較小電壓的DC-DC converter）所帶動(dòng)。
Yole Developpement研究機(jī)構(gòu)報(bào)告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模成長(zhǎng)至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11億美元。預(yù)估2027年碳化硅（SiC）功率組件市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)63億美元，氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)可達(dá)20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)的復(fù)合年成長(zhǎng)率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率組件市場(chǎng)的復(fù)合年成長(zhǎng)率（CAGR）為34%。除了消費(fèi)性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率組件，氮化鎵（GaN）功率組件導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備電源的速度也愈來(lái)愈快。
圖二 : 碳化硅功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估。（source: Yole Developpemen）
圖三 : 氮化鎵功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估。（source: Yole Developpemen）
知名業(yè)者如氮化鎵（Gan）功率IC龍頭納微半導(dǎo)體（Navitas）、美商Transphorm積極與半導(dǎo)體代工廠結(jié)盟，搶占市場(chǎng)，至于碳化硅（SiC）以IDM為主，重量級(jí)業(yè)者包含英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、羅姆半導(dǎo)體（Rohm）等，其中，意法半導(dǎo)體同時(shí)跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領(lǐng)域；英飛凌、安森美半導(dǎo)體（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術(shù)。
展開(kāi) 本土“8英寸硅基氮化鎵外延晶圓”又有新突破
近日，耐威科技發(fā)布公告稱，其控股子公司聚能晶源成功研制“8英寸硅基氮化鎵（GaN-on-Si）外延晶圓”，聚能晶源也因此成為截至目前公司已知全球范圍內(nèi)領(lǐng)先的可提供具備長(zhǎng)時(shí)可靠性的8英寸GaN外延晶圓的生產(chǎn)企業(yè)，但當(dāng)期尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
耐威科技發(fā)力第三代半導(dǎo)體有成效
2018年，為布局并把握寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料（即第三代半導(dǎo)體材料）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇，耐威科技先后投資設(shè)立了控股子公司聚能創(chuàng)芯和聚能晶源。其中，耐威科技持有聚能創(chuàng)芯35%的股權(quán)，持有聚能晶源40%的股權(quán)。
資料顯示，聚能晶源主要從事半導(dǎo)體材料，尤其是氮化鎵（GaN）外延材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)，主要聚焦相關(guān)材料在航空電子、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，完善并豐富公司產(chǎn)業(yè)鏈。
自成立以來(lái)，聚能晶源先后攻克了GaN與Si材料之間晶格失配、大尺寸外延應(yīng)力控制、高耐壓GaN外延生長(zhǎng)等技術(shù)難關(guān)，成功研制了達(dá)到全球業(yè)界領(lǐng)先水平的8英寸硅基氮化鎵（GaN-on-Si）外延晶圓。
據(jù)了解，該型外延晶圓在實(shí)現(xiàn)了650V/700V高耐壓能力的同時(shí)，保持了外延材料的高晶體質(zhì)量、高均勻性與高可靠性，可以完全滿足產(chǎn)業(yè)界中高壓功率電子器件的應(yīng)用需求。
耐威科技表示，在采用國(guó)際業(yè)界嚴(yán)苛判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，聚能晶源研制的外延晶圓在材料、機(jī)械、電學(xué)、耐壓、耐高溫、壽命等方面具有性能優(yōu)勢(shì)，能夠保障相關(guān)材料與技術(shù)在5G通訊、云計(jì)算、快充電源、無(wú)線充電等領(lǐng)域得到安全可靠的應(yīng)用。
公告稱，本次“8英寸硅基氮化鎵（GaN-on-Si）外延晶圓”的研制成功，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生重大影響，但有利于公司加快在第三代半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備，有利于增強(qiáng)公司核心競(jìng)爭(zhēng)力并把握市場(chǎng)機(jī)遇。
第三代半導(dǎo)體材料有何優(yōu)勢(shì)？
展開(kāi) 中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比
半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一代以硅為代表，第二代以砷化鎵為代表，第三代則以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）和金剛石為四大代表，其中又以SiC和GaN為主。
相較于第一代和第二代，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網(wǎng)、消費(fèi)類電子等多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在美國(guó)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級(jí)的大環(huán)境下，中美雙方對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的專利布局均十分重視。由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展仍處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，中美差距相對(duì)不大，因此第三代半導(dǎo)體材料有望成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。
二 中美第三代半導(dǎo)體材料專利對(duì)比分析
由于碳化硅及氮化鎵為第三代半導(dǎo)體材料中的主要材料，可基本代表第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展情況，因此本節(jié)將圍繞涉及兩種材料的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利對(duì)中美情況開(kāi)展對(duì)比分析，以識(shí)別中美雙方具化差異。
1. 總量對(duì)比分析
圖3 中美兩國(guó)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利總量 （項(xiàng)）對(duì)比圖
數(shù)據(jù)來(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期：2021年10月8日
全球涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利共計(jì)23738項(xiàng)。我國(guó)共布局專利5232項(xiàng)，專利申請(qǐng)總量略占優(yōu)勢(shì)，美國(guó)稍遜一籌，布局專利2772項(xiàng)。
2.
展開(kāi) 中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比
半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一代以硅為代表，第二代以砷化鎵為代表，第三代則以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）和金剛石為四大代表，其中又以SiC和GaN為主。
相較于第一代和第二代，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網(wǎng)、消費(fèi)類電子等多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在美國(guó)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級(jí)的大環(huán)境下，中美雙方對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的專利布局均十分重視。由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展仍處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，中美差距相對(duì)不大，因此第三代半導(dǎo)體材料有望成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。
二 中美第三代半導(dǎo)體材料專利對(duì)比分析
由于碳化硅及氮化鎵為第三代半導(dǎo)體材料中的主要材料，可基本代表第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展情況，因此本節(jié)將圍繞涉及兩種材料的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利對(duì)中美情況開(kāi)展對(duì)比分析，以識(shí)別中美雙方具化差異。
1. 總量對(duì)比分析
圖3 中美兩國(guó)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利總量 （項(xiàng)）對(duì)比圖
數(shù)據(jù)來(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期：2021年10月8日
全球涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利共計(jì)23738項(xiàng)。我國(guó)共布局專利5232項(xiàng)，專利申請(qǐng)總量略占優(yōu)勢(shì)，美國(guó)稍遜一籌，布局專利2772項(xiàng)。
2.
展開(kāi) 
中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比
半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一代以硅為代表，第二代以砷化鎵為代表，第三代則以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）和金剛石為四大代表，其中又以SiC和GaN為主。
相較于第一代和第二代，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網(wǎng)、消費(fèi)類電子等多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在美國(guó)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級(jí)的大環(huán)境下，中美雙方對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的專利布局均十分重視。由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展仍處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，中美差距相對(duì)不大，因此第三代半導(dǎo)體材料有望成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。
二
中美第三代半導(dǎo)體材料專利對(duì)比分析
由于碳化硅及氮化鎵為第三代半導(dǎo)體材料中的主要材料，可基本代表第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展情況，因此本節(jié)將圍繞涉及兩種材料的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利對(duì)中美情況開(kāi)展對(duì)比分析，以識(shí)別中美雙方具化差異。
1. 總量對(duì)比分析
圖3 中美兩國(guó)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利總量 （項(xiàng)）對(duì)比圖
數(shù)據(jù)來(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期：2021年10月8日
全球涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)專利共計(jì)23738項(xiàng)。
展開(kāi) GaN氮化鎵正在進(jìn)入汽車領(lǐng)域
圖4 整車?yán)锩?em>GaN器件的應(yīng)用
以O(shè)BC來(lái)說(shuō)，使用GaN的器件，可以實(shí)現(xiàn)尺寸上減少到原來(lái)的五分之一，充電效率可以增加到98%，這也可以減小散熱的結(jié)構(gòu)。
圖5 GaN器件對(duì)OBC帶來(lái)的效益
在DCDC方面，可以從水冷設(shè)計(jì)改換為風(fēng)冷，由于功率密度從1kW/L升到2kW/L，這個(gè)效能在多合一里面起到的作用非常直接。
圖6 GaN器件對(duì)于DCDC帶來(lái)的效益
在這個(gè)方面，Denso做了不少的嘗試，可以把整體的設(shè)計(jì)體積降低80%，基本是顛覆了原有的設(shè)計(jì)方法。
圖7 Denso設(shè)計(jì)的高功率密度的GaN DC-DC
從400V升級(jí)到800V，目前SiC的復(fù)合增長(zhǎng)差不多見(jiàn)頂了，而基于原有的400V系統(tǒng)的革新，可能是留給GaN器件的。來(lái)自IHS公司的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)在2021～2027年間，氮化鎵功率器件市場(chǎng)復(fù)合增速高達(dá)30％，到2027年產(chǎn)值預(yù)計(jì)超過(guò)10億美元，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆? 從功率器件的對(duì)比來(lái)看，與Si IGBT相比，SiC能讓系統(tǒng)提升到更高的系統(tǒng)電壓、更高的工作溫度和更快的開(kāi)關(guān)速度，因此在逆變器的使用方面帶來(lái)極佳的效能。硅基氮化鎵GaN開(kāi)關(guān)為從幾百W到25kW的范圍內(nèi)，應(yīng)用的落地是很快的，除了上面所說(shuō)的OBC、DCDC，PTC和電空調(diào)控制也有空間可以來(lái)做。
小結(jié)：前段時(shí)間綠芯頻道做過(guò)GaN器件的使用。接下來(lái)如果汽車?yán)锩娴?em>GaN器件進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)期，我們將多做一些探討，包括前瞻方面的拆解，這對(duì)于我們關(guān)注將來(lái)的發(fā)展非常有意義。
展開(kāi) 智芯研報(bào) | 氮化鎵（GaN）射頻器件市場(chǎng)：2026年預(yù)計(jì)達(dá)到24億美元以上
Yole在報(bào)告《2021氮化鎵射頻市場(chǎng)：應(yīng)用、主要廠商、技術(shù)和襯底》中預(yù)測(cè)，氮化鎵（GaN）射頻器件市場(chǎng)正以18%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，從2020年的8.91億美元到2026年的24億美元以上。
該市場(chǎng)將由國(guó)防和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用主導(dǎo)，到2026年分別占整個(gè)市場(chǎng)的49%和41%。特別是，基于氮化鎵的宏/微蜂窩領(lǐng)域?qū)⒃?026年占氮化鎵電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的95%以上。
相對(duì)于第一代（硅基）半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體禁帶寬度大，電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率高，其具有臨界擊穿電場(chǎng)高、電子遷移率高、頻率特性好等特點(diǎn)。
氮化鎵(GalliumNitride；GaN)是最具代表性的第三代半導(dǎo)體材料，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，是迄今為止理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。
氮化鎵優(yōu)異特性：
目前GaN器件有三分之二應(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達(dá)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。
未來(lái)五年，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景。
射頻氮化鎵技術(shù)
是5G的絕配
氮化鎵的帶隙為3.4eV，而現(xiàn)今最常用的半導(dǎo)體材料硅的帶隙為1.12eV，因此氮化鎵在高功率和高速元件中具有比硅元件更好的性能。
氮化鎵向來(lái)以較高的功率處理能力而著稱，是基地臺(tái)、雷達(dá)和航空電子等無(wú)線通訊設(shè)備的首選放大器，在4G通訊系統(tǒng)中也已經(jīng)使用多年。
展開(kāi) 第三代半導(dǎo)體技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)白熱化！碳化硅(SiC)的前世今生！
而氮化鎵（GaN）由于其高電子遷移率和高電子飽和速度特性，適合高速和高功率元件，比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景是下一代無(wú)線通訊系統(tǒng)。SiC的性能使其在高于1200V的高電壓、大功率應(yīng)用上頗具優(yōu)勢(shì)，而GaN功率器件更適合40-1200V的高頻應(yīng)用，尤其是在600V/3KW以下的應(yīng)用場(chǎng)合。
碳化硅（SiC）
碳化硅（SiC）主要可應(yīng)用于電力電子器件和微波射頻領(lǐng)域，細(xì)分領(lǐng)域包括車、光伏、消費(fèi)電子等。而由導(dǎo)電型碳化硅襯底制成的功率半導(dǎo)體器件包括：結(jié)勢(shì)壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，能夠應(yīng)用于電子電氣領(lǐng)域中新能源汽車、光伏發(fā)電等方面。而由半絕緣型襯底制成的射頻半導(dǎo)體器件包括射頻開(kāi)關(guān)、LNA、功率放大器、濾波器等，可廣泛應(yīng)用于5G通訊、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。
氮化鎵（GaN）
目前氮化鎵單晶生長(zhǎng)尺寸在2英寸和4英寸，一般不作為襯底材料，而是采用異質(zhì)外延技術(shù)生長(zhǎng)GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍(lán)寶石基氮化鎵外延器件等。在器件及應(yīng)用方面，首先，GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件，應(yīng)用于5G 通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等方面。
此外，GaN寬帶隙功率晶體管可以在高壓和高開(kāi)關(guān)頻率條件下提供高功率效率，使其能夠應(yīng)用于智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等電力電子方向，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅MOSFET產(chǎn)品。
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