不尋常的長假好像還沒有結束，近日看到 {是說芯語} 號發的如題文章，覺得可以轉一下給條友們看看，或許有些用處。文章內容涉及公司很多，都是做芯片或終端設備的，如：IR、蘋果、IBM、摩托羅拉、英飛凌、EPC、Power Integrations、TI、OPPO、Anker、AUKEY、amc、Griffin、XinSpower、Belkin、Navitas、GaN Systems、Transphorm、Navitas、Exagan、ON Semiconductor、谷歌、豐田、Soitec、NASA、ESA、Integra Technologies、Qorvo等。
迎接半導體材料的顛覆時刻
CES 2020，氮化鎵打響了對硅戰爭的新年第一槍，此刻，中國卻在經歷令人不寒而慄的疫情。似乎這掩蓋了一切，有朝一日山花爛漫，我們仍初心不改，迴歸我們所鍾情的行業。
2020年初春，令所有人不寒而慄，WHO（世界衛生組織）已將中國本次新型冠狀病毒肺炎疫情定義為國際關注的突發公共衛生事件。自2008年經濟衰退以來，好不容易全球半導體行業已出現一定增長，處境艱難的半導體公司發現，創造價值和佔領正確的市場更為關鍵。
儘管有這次疫情，任何廠商失去中國巨大的市場無異於自毀前程。不管事態如何演變，生活都將繼續，中國也一定會戰勝疫情，繼續向著偉大的新目標前進。
其實，與疫情前後腳，功率半導體的變革已初見端倪。關心疫情的同時，不妨看看行業發生了哪些微妙的變化！
就在CES 2020上，GaN打響了對硅（Si）戰爭的新年第一槍。
GaN者，幹也，不管英文還是漢語拼音，發音相同，只是大寫N的代表新型半導體材料氮化鎵（GaN）。
近年來，寬禁帶半導體功率器件（GaN和SiC等，這裡主要聊聊GaN）憑藉諸多性能優勢，在航空航天、電力傳輸、軌道交通、新能源汽車、智能家電、通信等領域顯現出取代傳統硅器件的苗頭。不過，挑戰猶存，在各類應用中充分發揮寬禁帶功率器件/模塊的優勢，需要具有可靠性和保護機制的耐高溫驅動器；價格比較高也是大批量應用的難點。
GaN向硅功率MOSFET發起正面攻擊
EPC首席執行官兼共同創始人Alex Lidow博士講了一個故事：44年前，當他第一次開發功率器件時，“獸中之王”是硅功率雙極晶體管。1978年，國際整流器公司（IR）推出了功率MOSFET，作為一種更快速度的替代品，它取代了較慢和老化的雙極器件。功率MOSFET的早期採用者是兩極不夠快的應用。其採用的標誌性例子是臺式計算機開關電源；先是蘋果，然後是IBM。
直到20世紀80年代中期，功率MOSFET的生產規模才使功率MOSFET的成本與雙極晶體管一致。那時，IR發起了對雙極晶體管的正面攻擊。攻擊目標是摩托羅拉，因為它佔據了雙極晶體管市場最大份額。作為對MOSFET攻擊的反應，摩托羅拉最初部署了資源嚇唬潛在的MOSFET用戶，包括可靠性問題、高價格和不可靠的供應鏈。
儘管受到這些攻擊，功率MOSFET仍然在雙極晶體管以前佔據主導地位的傳統應用中獲得了認可。摩托羅拉認識到這項新技術的優越性，推出了自己的功率MOSFET，承諾這兩項技術“我們都做，所以從我們這裡購買”最好。問題是，它沒有製造出最好的功率MOSFET，最終，輸掉了兩種半導體材料之間的戰爭。
歷史總是驚人地相似。具有諷刺意味的是，如今功率MOSFET是“獸中之王”，而硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件則是挑戰者。這些GaN基功率晶體管和集成電路的早期成功最初來自於GaN與硅相比的速度優勢——GaN-on-Si晶體管開關比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。
GaN打入主流消費市場
不可否認，過去10年中GaN功率市場的驅動力主要是高端高性能應用，廠商為客戶提供高頻開關、低導通電阻和較小封裝尺寸的芯片或模塊。2019年，GaN功率電子的情況開始改變了！進入了主流消費應用領域。
正如Yole所說，今天，功率電子與化合物半導體行業正迎來巨大變革。在這一市場重新洗牌中，正是由於英飛凌、EPC、Power Integrations、TI等的力推和眾多OEM廠商扮演的角色，GaN功率器件正受到汽車行業各OEM和Tier1的關注，並有望滲透到工業和電信電源應用（數據通信、基站、UPS等），迎來一次大爆發。
GaN市場長期預測
2019年無疑是GaN的重大里程碑，OPPO遇上GaN，首開先河成為全球在手機充電器中導入GaN功率技術的廠商，大充電器終於成為了歷史。在手機65 W快充充電器中標配PowiGaN™ 技術的GaN芯片標誌著GaN功率器件首次進入大規模智能手機市場，並在真正改變GaN功率市場。
CES 2020更是GaN的一個引爆點，我們看到更多廠商都採取了相同做法，新產品目不暇接。Anker、AUKEY、amc、Griffin、XinSpower和Belkin等都帶來了GaN系列快充充電器新品，尤其是高達100W的GaN快充充電器。
GaN充電器引爆消費市場
這些產品的核心GaN器件來自Navitas和Power Integrations。前者的技術稱為GaNFast™ Power IC，公司CEO Gene Sheridan解釋說：“消費者對移動設備充電緩慢感到沮喪，他們厭倦了隨身攜帶多個笨重的充電器。新一代的GaN充電器將充電速度和效率提高了3倍，體積和重量降低了50%，用一個充電器可為所有移動設備充電。GaN可以取代硅，電力電子技術正在實現一場高速革命。”
效率vs速度
Power Integrations的技術叫PowiGaN™，其架構極具革新性，因為該器件同時將初級和次級控制器以及檢測元件和符合安全標準的反饋機制集成到了單個IC中，可極大簡化低壓大電流電源的開發和製造，尤其是那些採用緊湊外殼或需要滿足高效率要求的電源。公司市場營銷副總裁Doug Bailey說：“我們已出貨第100萬顆採用PowiGaN技術的InnoSwitch™3開關IC。與從事GaN開發的其他公司不同，我們選擇將PowiGaN晶體管與已經成熟的InnoSwitch3 IC組合在一個封裝中，實現業界領先集成電源控制器的所有組合效益，而不必處理驅動和GaN晶體管的複雜性。”
功耗vs尺寸
我們看到，目前廣大手機廠商已在使用65W氮化鎵適配器，2020年100W適配器將應市。以300W為分界線，GaN功率器件所扮演的角色有所不同。300W以下的氮化鎵功率器件注重便攜性，300W以上的功率器件則對效率、溫度以及功耗方面的要求更為嚴格。
功率GaN IP雨後春筍
功率GaN知識產權（IP）既有高壓功率半導體領先者，也有一批強大IP核心廠商和眾多新來者，比較知名的有：EPC、GaN Systems、Transphorm、Navitas、Exagan、infinon和ON Semiconductor。如今，越來越多的公司要麼加入了這個市場，要麼宣佈要實現這一目標，要麼在申請相關專利，而擁有強大技術和知識產權的公司將在未來幾年主導GaN功率市場。
GaN知識產權公司
截至2019年，全球針對電力電子應用的GaN技術和器件相關專利和專利申請有9500多項，涉及外延片（GaN-on-Si、GaN-on-Sapphire等）、半導體功率器件（D模式、E模式、垂直器件、p摻雜等）、集成（SiP、SoC、單片集成等）、電路和操作方法（共源共柵、半橋、功率IC等）以及封裝（熱管理、雜散電感等），適用於所有功能（開關、轉換器、整流器、逆變器等）和應用（電源、光伏、EV/HEV、UPS、快速充電、無線充電等）。
受益領域日漸廣泛
GaN應用五花八門
我們生活在一個數據和能源驅動的世界，越來越依賴包括數據中心、電動汽車、可再生能源系統、工業電機和消費電子產品的行業。長期以來，這些行業一直面臨電源轉換消耗能源、傳統電源系統生態系統限制整體產品設計尺寸等諸多挑戰。現在，不可思議的功率電子創新，正在由GaN功率半導體將不可能變為可能。GaN技術在產品級和系統級重新定義了功率器件，賦予產品全新性能和商業競爭力。
那就讓我們看看GaN對不同領域的影響幾何吧？
▲消費電子有GaN更便捷：每年便攜式電子設備銷量24億部，快速高效地充電已成為一種顯著的競爭差異。時尚的電源適配器和快速的多設備無線充電器已成為從手機到筆記本、家電到工具等設備的消費需求。設計、實用性和能效已經從高端產品發展到電源製造商的日常要求。GaN可以為消費電子產品帶來高性能、更好的音質，實現更小的交流適配器和無線充電。
GaN功率晶體管通過提高能源效率、減小尺寸和系統成本以及提供結合無線充電和專業音質等新功能的機會，提高了消費電子設備的性能和實用性，如AC適配器減小5倍，無線功率傳輸提高10倍，降低10倍音頻系統抖動。
還有無線電源，更大功率的GaN可以滿足服務器、通信電源、家電、電視、工業和照明應用市場的需求。比如EPC的採用eGaN®技術的FET可以在無線電源桌面上同時為多個消費電子設備供電，包括電腦、檯燈、鬧鐘、數字助理、手機、可穿戴設備，而完全擺脫了電源線。
桌上開啟的電器都沒有電源線
▲數據中心用GaN更節能：未來幾年，在從80億臺向300億臺聯網設備轉變過程中，數據中心運營商及供應商需要在全球採取不同的思考和行動。隨著物聯網、可穿戴設備和機器學習將我們推向一個更加數據密集型的社會，需要重新考慮數據中心的風險、設計、電源和可持續性，以實現財務目標和全球企業責任。目前全球800萬個數據中心佔世界能源使用的2%，且將迅速上升至5%。
谷歌技術創新新數據中心需要大量海水來冷卻
按照目前的標準，雖然大多數數據中心都被認為是相對節能的，但數據中心能效每提高0.5%，就意味著能源效率的顯著提升，必須加以利用。GaN可以實現更小、更高效和更低成本的電源設計，功率密度增加50%，功率損耗和系統成本分別降低40%和15%。這不僅意味著更高的服務器密度和更高的每機架收入，還意味著由於數據中心能耗的降低而節省運營成本。數據中心設計最佳實踐可以延遲數據中心的建立，因為現有的資源可以處理更大的數據負載。在可預見的將來，數據中心將從日趨成熟的GaN器件機器成本競爭力獲益，並滿足不斷提升的效率要求，這將讓GaN實現更廣的市場滲透。
▲現代製造需要GaN：伴隨不可避免演變到工業4.0智能工廠，現代製造企業需要應對新技術和能源需求。越來越多的自動化機器人和機動化生產線的用電和用電成本不斷上升。這意味著，如果製造商希望保持競爭力，就需要制定新的操作規程。為了降低成本和增加收入，整個工廠都需要提高能源效率。為了保持24/7的連續運行，需要更簡單、更可靠、更強大的各種機械電機驅動裝置。
目前全球30%電力用於工業電機和運動控制，電源設計有助於支持下一次工業革命，包括消除風扇、過濾器和屏蔽電纜；更高效的電機驅動、機器人和LED照明。GaN半導體能夠設計和生產減小50%的電動機驅動器，提高30%能源效率，降低25%系統成本，而且濾波更加容易，能夠在工廠使用較長長度和較低成本的非屏蔽電纜及遠程無線充電。此外，無線充電和更長運行時間的機器人正在提升製造和倉庫效率。
隨著越來越多的機器人和自動車輛進入工廠和其他工作場所，為這些日夜工作的機器充電變得更重要。雖然無線充電手機正變得越來越普遍，但大型倉庫機器人不能像手機放置得那麼精確。要解決更大充電面積和充電距離，就要更高的功率和頻率。與硅相比，GaN在高頻下表現最好，減少了熱管理所需的成本和麵積。硅適合5-10瓦的低功率充電器，要達到上千瓦，效率變得非常重要，因為誰都不希望每一瓦特作為熱量損失掉。GaN高頻電子器件可讓機器人擺脫任何電纜，具有360度自由度，在多個地點充電，每天充電多次，無需花費時間對接，無需工作人員干預。
基於GaN器件的高功率和高頻能力可以遠距離無線充電
▲汽車需GaN來優化：在現代文明的工業化進程中，全球運輸業正在經歷一場與蒸汽機一樣劇烈的變革。過去幾年，全球電動汽車和混合動力汽車的數量迅速增加，並繼續加速。預計2040年電動汽車將達到6,500萬輛。隨之而來的電力消耗將增加30,000%——達到1,800 TWh，佔全球電力的5%。這將需要提升電動汽車效率、降低汽車充電電價及新的存儲和高效解決方案。
利用GaN半導體為汽車工業的創新提供動力，能夠實現更小、更高效和更低成本的電力系統，增加3倍功率密度，分別降低功率損耗和系統成本50%和20%。對於汽車來說，這意味著更小、更輕的電池、便利而有效的充電性能、更遠的行駛里程、可持續和更有趣。
GaN Systems戰略營銷副總裁Paul Wiener表示，電動汽車被認為是一項綠色技術，而GaN在電動汽車和自動駕駛汽車市場都有著廣泛的應用，包括車載蓄電池充電器（OBC）、DC/DC轉換器和牽引逆變器。在所有這些應用中，客戶都可獲得3-5倍尺寸和重量的減少，並將運營效率提高几個百分點。最有趣的是，與硅相比，GaN的系統成本通常不高。這些改進為電動汽車廠商提供了一些好處，包括行駛里程和更小、成本更低的電池；且由於系統更小，可以用風冷而不是水冷，因此為車內優化系統佈局提供了新的設計自由度。
22 kW電動汽車車載充電器
汽車動力總成技術的最新發展推動了48 V和12 V總線在輕度混合動力汽車中的應用，從而降低8-15%的燃油消耗。但其挑戰是轉換器需要滿足3 kW的功率等級，GaN恰恰可以做到。因此，GaN正在吸引OEM和一級供應商的關注，如汽車行業的法雷奧和大陸集團，因為對輕度混合動力汽車的新興48V DC/DC電源，還有電動汽車的車載充電器來說，GaN是一個很誘人的東西。EPC和Transphorm等廠商已經獲得了AEC認證，GaN Systems也獲得了寶馬集團i Ventures的投資。
GaN器件適用於汽車應用
去年10月的東京車展上，由名古屋大學未來材料與系統研究所與豐田先進電力電子技術研究部共同開發的全氮化鎵汽車（All GaN）曝光，其牽引逆變器的氮化鎵將效率提高了20%，從而提升了電動汽車一次充電續航里程；DC-DC轉換器系統尺寸減小了75%；車載氮化鎵充電器可以為LED照明和夜間駕駛提供電力。
EPC在CES 2020上展示的基於eGaN FET的激光雷達系統可作為自動駕駛汽車的“眼睛”，因為eGaN FET觸發脈衝產生大電流窄脈衝，可實現更高的分辨率及脈衝電流，使激光雷達系統可以看更遠的景物。這兩個特性加上GaN元件的超小尺寸，使之成為激光雷達應用的理想元件。
硅vs氮化鎵
▲5G打開GaN應用之門：據預測，2024年全球GaN射頻器件的市場規模將超過20億美元，其中無線通信和軍事應用佔據絕大部分。5G的到來將推進半導體材料革命性的變化，硅襯底、碳化硅襯底、氮化鎵都將獲得快速發展。從2G到5G，通信頻率不斷提升，基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也水漲船高。在此背景下，GaN將以其獨特的高頻特性、超高功率密度和優異的集成性成為5G技術的核心器件。
5G是GaN應用大戶
Paul Wiener敦促全球設備供應商在2020年開始用GaN生產更節能的5G套件，此舉可能為運營商節省數百萬美元的能源成本。他表示，全球四大供應商中有兩家正準備部署採用GaN晶體管而非傳統硅器件的設備。他解釋說，此舉將提高能源效率，在小基站出現前一年首次部署大型基站設備。他說，到2021年，四大廠商都將在網絡設備中使用GaN晶體管。
雖然晶體管可能不會得到運營商很多關注，但這種轉變有可能為運營商節省數額驚人的資金。他解釋說，GaN晶體管的工作速度比硅晶體管快得多，而且比硅晶體管更節能。在硅晶體管提供約90%效率的情況下，GaN產品的能效可達96%以上。
專門從事新型半導體工藝的Soitec全球策略執行副總裁Thomas Piliszczuk博士自信地表示，GaN外延片（切割芯片的半成品）將引領5G技術風潮，因為在蜂窩基站（大於5 W功率放大器）中，GaN在5G毫米波方面具備優勢，正逐漸成為4G/5G應用主流（大於6 GHz和毫米波）。
GaN在5G毫米波方面具備優勢
另外，隨著5G迎來萬物互聯，推動數以百萬計傳感器市場的應用，配合5G的發展，需要可靠、安全的自動電源——無線電源。EPC展示的面向5G應用的無線電源可以穿過玻璃窗及牆壁為設備供電。
▲GaN提升可再生能源效率：2020年後，全球電力消費量的19%以上將來自可再生能源。阻礙電力行業發展的障礙是缺乏可擴展和可負擔得起的技術解決方案，無法有效轉換和儲存電力，無論是太陽能、風能、水力或其他能源。對於可再生能源行業，GaN功率晶體管能夠設計出更簡單、更小更輕、成本更低、效率更高的儲能系統，以及硅無法實現的雙向功率流結構，使功率密度增加20%，功率損耗和系統成本分別降低50%和10%。
可再生能源離不開功率轉換和儲存
▲航天器GaN身在其中：IEEE終身院士Steve Taranovich在介紹航天器中的電源管理時說，GaN、SiC和金剛石等寬禁帶半導體有望成為自發現硅以來未來電子元件最有前途的材料。因它們在高射頻輸出功率、抗輻射能力、高溫和高頻操作、光學特性甚至低噪聲能力方面具有巨大優勢。因此，寬禁帶器件對下一代星載系統的發展具有重要戰略意義。
他強調，增強型氮化鎵是空間關鍵電源的首選電源驅動器，它是為空間而生的材料，滿足空間飛行器三個最重要的元素——尺寸、重量和功率效率，而且很可靠。
電源通常比航天器上的大多數設備都重。GaN功率器件可以實現最佳效率，在功率管理體系結構中尺寸最小，因為以非常高頻率運行，從而減小了設計中的磁性元件（包含鐵/金屬芯的變壓器和電感）的尺寸。更輕的重量也意味著在發射時減少了擺脫地球引力的燃料消耗，等於降低了成本。GaN還具有EMI優勢，可以作為電路板上的發射和接收天線。在火星2020探測器的太陽能電池板中，GaN已作為輸出、功率轉換和電池充電使用。
衛星上的太陽能電池板
NASA研究認為，GaN是一種奇異的材料，有望成為電力電子器件的首選半導體，因為它比硅效率高得多，非常看好在太空中的潛在應用。
NASA：GaN有望成為航天電力電子首選半導體
歐洲航天局（ESA）也已認識到，空間電力系統需要發電、調節、儲存、分配和轉換，為此正正大力投資GaN技術，已通過基礎技術研究計劃製造出6×6 mm的原型GaN芯片，將高功率放大器、低噪聲放大器、發射-接收開關和校準耦合器集成在一個芯片上。ESA稱，氮化鎵是繼硅之後最有前途的半導體，並一直通過GaN可靠性增強和技術轉讓倡議聯盟實現GaN工業化。
ESA已製造出6 x 6 mm的原型GaN芯片
值得一提的是，一些公司（如Integra Technologies和Qorvo）也在開發大於65V以上工作電壓的GaN器件，以取代增加系統複雜性和成本的真空電子器件，滿足航空航天、防禦雷達、衛星通信和工業、科學和醫療系統對更加可靠、堅固器件的需要。Integra Technologies的高壓GaN可以達到數千瓦功率水平。現在GaN器件性能每年都在提高，卻遠沒有接近其性能上限，製造商發現更好的外延工藝、晶體管配置和封裝解決方案更有利於改善散熱問題，從而開發出更可靠、更強大的技術，滿足未來各種大功率設備的需要。
價格已不在話下
還沒有采用GaN技術的，其說辭總是GaN價格還高。其實GaN應用以來，成本不太敏感的4G/LTE基站的RF包絡跟蹤、汽車、機器人、無人機和安全系統的光探測和測距（lidar）系統，當然還有國防軍工、航空航天，成為了充分利用GaN高速開關能力的第一批批量應用。隨著產量的不斷增加，現在GaN功率器件的價格與較慢、較大和老化的功率MOSFET器件已相差不多。
2019年4月額定100 V eGaN FET（紅圈）vs同等額定功率MOSFET價格
前不久，Thomas Piliszczuk博士在接受時更是語出驚人：“GaN成本將下降數倍，大規模應用指日可待。”因為該公司的GaN外延片技術帶來了設備級的切割工藝創新。至於切割細節他並未透露，只說與切割硅的工藝一樣，但利用特殊工藝可以切得更薄。那麼，原來做一個芯片的材料，現在可以做十個，這就可以讓高大上的芯片走入尋常應用。另外一些降低成本的方法是提高良率，採用更大尺寸晶圓等。
放眼未來
總體來看，全球每個市場的電力需求都在增加，預計將從目前的25,000 TWh增加到2050年的38,000 TWh。在行業層面，全球有800萬個數據中心使用了全球2-3%的能源，預計這一比例將升至5%以上；工業電機消耗了30%；到2040年，電動汽車將成為全球能源消耗最大消費者，超過5%。
GaN，還有SiC有助於降低所有這些系統的損耗，正在逐漸取代硅器件。我們期待，像業界預測的那樣，到2027年，GaN和SiC的合併市場價值超過100億美元。
現在，正是GaN正面進攻硅的時刻！是時候讓一個更年輕、更合適的挑戰者接管半導體材料的主導地位了！
