氮化镓技术在电力电子领域的发展与市场动态

逍遥设计自动化

引言
7 k# n2 b8 V, ?  E( c6 _" b  O氮化镓（GaN）技术的出现显著改变了电力电子领域的格局。本文探讨GaN技术从诞生到当前市场状况的发展历程，重点介绍其技术优势及在不同电压领域的市场渗透情况[1]。

GaN技术在电力电子领域的革新
7 W4 k- ^7 M6 D随着行业对功率密度和效率要求的不断提高，硅基电力电子器件的局限性日益明显。传统的硅基设计使工程师在系统性能、效率和体积之间难以取得平衡。当提高开关频率以实现更高的功率密度和更小的器件尺寸时，硅基系统会产生更多的功率损耗和热量散失，导致系统效率降低。相反，要实现高效率，硅基器件需要降低开关频率，这又会导致元件体积增大和功率密度降低。
# @( i2 e5 X% z. T: j/ ~
& D0 I/ u$ F  G2 j/ VGaN作为硅的替代方案具有显著优势，其能隙达到3.4电子伏特(eV)，高于碳化硅(SiC)的3.2 eV和硅的1.12 eV。较高的能隙加上优异的电子迁移率和较低的导通电阻，使GaN器件能够在高频和高温环境下实现更高的功率转换效率。此外，GaN优良的热性能使得系统体积可以比硅基方案显著缩小。

fdzlc5cc24u64022970650.png

/ u0 J1 J. F2 O( N* v" h/ N图1展示了过去二十年GaN竞争格局的发展，显示了2008年至2023年间不同类型公司进入市场的增长情况。
9 h7 [" {( n! D" u  @
* [1 j0 W1 V$ u) q- v

e45xyiz2fzo64022970750.png

图2描绘了2008年至2023年全球GaN功率半导体市场中新进入者的公司类型占比，展示了established corporations（成熟企业）和初创公司的分布情况。
* t" B% Y9 T- n. q9 T6 U9 A
市场发展与商业成功
GaN技术的商业化历程始于2008年，当时International Rectifiers (IR)宣布成功开发出GaN功率晶体管原型。随后在2010年初推出首款GaN产品iP2010。同年，Efficient Power Conversion (EPC)公司推出了面向低压应用（40-200 V）的增强型GaN-on-Si功率晶体管，相比当时的硅基MOSFET展现出更优越的开关性能。
+ K7 u* j! ]( D) D
EPC宣布其晶体管可以在传统CMOS代工厂进行生产，且仅需对制造工艺进行少量修改，这一优势促使更多竞争者进入GaN功率半导体领域。
- I0 H" T: m- E5 S" y  X

4r3z0amlmox64022970850.png

. ^% N; I8 z! \& L' h% C( b图3显示了2023年全球GaN功率半导体市场中不同电压产品组合的百分比分布。

电压领域与市场扩张
3 ~7 y4 @: m7 ]GaN市场最初主要针对需要650V产品的高频应用，这些应用中GaN的技术成熟度足以与硅形成有效竞争。近期发展显示，一些公司基于GaN-on-Si横向结构，开始扩展到更高电压领域，包括750V、900V、1200V和1250V等级。

n2qg3v3yazx64022970951.png

/ {( Y3 y1 E, z  _8 X7 z  K. N图4展示了2021年至2023年间全球前五大公司在不同电压领域的产品发布情况。
2 Y7 U* _/ G  ~  M3 G8 I
3 P( Z" g6 T8 L  [未来发展与市场增长
自2019年以来，GaN技术市场进入快速增长阶段，这得益于其在功率效率、热性能和体积减小方面的优势得到充分验证。低于650V的产品市场继续保持增长势头，特别是在音频放大器、无线充电器、电子战和医疗设备等应用领域。
/ Q. N6 T) Y/ x  k
8 @! k% V3 [" I7 I高于650V产品的开发代表着GaN技术的新发展方向，尽管这一领域面临着来自碳化硅(SiC)器件的竞争。要在这一更高功率领域取得成功，市场参与者需要持续投入研发力量，以确立GaN在工业应用中的价值。
, A& Z3 v% e: F/ w8 w* N
过去十年间，超过20家企业（包括初创公司和成熟企业）进入GaN功率半导体领域。这种多元化参与推动了技术进步和客户合作，促进了设计应用和市场采用的增加。
6 e% c7 i( G. y
参考文献
[1] M. Di Paolo Emilio (ed.), "GaN Market," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 9, pp. 361-364.

END
3 k* p1 D# W+ w& b6 ]
! P9 P" b, A1 H/ q8 }5 j
) I) t1 s( k+ z3 X4 d+ @软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
- r1 S% z9 M+ B6 u$ _点击左下角"阅读原文"马上申请
. u/ {4 O! a5 e1 O0 }- t% Q
欢迎转载
* N; D, V$ F! h: r
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
/ M* X* e4 b7 a  b2 j8 M0 u; l$ N3 V$ n


& y& j. x3 G9 l6 X) y

ibowze5bxr264022971051.gif

& C5 E4 s: c* j. |
1 m) B* H% C8 E0 J- _关注我们

% r! E, o! n% E# w& b, f

w5wpfe5dqpw64022971151.png

$ Z0 G. ~) o. \4 j2 {* M o2hbq2zohnl64022971251.png # M6 I8 L/ ^; E' X

3 D0 S& W3 I2 b+ E1 ^' k0 K' F0 g pmfc4uuwdqo64022971351.png

                     
: z; P1 E, m  G% I3 q" E' e
  m, L$ L1 ]1 O9 H6 p0 z
" |% \  X, H; ?9 j
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
8 v2 F, c; b) _; E& v
; _+ f; ?! e0 N  {http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）