【5G 時代半導體寵兒】氮化鎵有高頻寬、高功率優勢,是通訊與電源管理的關鍵材料

電子元件示意圖

【為什麼我們要挑選這篇文章】5G 時代來臨,氮化鎵(GaN)具有高頻、高功率、較寬頻寬等特性,成為半導體界的寵兒。然而氮化鎵除了應用於 5G 產品射頻之外,在電源管理上也具有體積小、高功率的優勢,可發展快充;市場研究公司 Yole 預估, 2024 年,氮化鎵電源市場產值將超過 3.5 億美元(約新台幣 105 億元)。(責任編輯:郭家宏)

由於 2 月 13 日小米在新品發表會中,除了推出小米 10 系列外,更宣佈採用氮化鎵(GaN)作為原料的充電器,一時間原本 GaN 在射頻領域熱燒的話題,快速延燒至電池產業。

GaN 是極為穩定的化合物,又是堅硬和熔點高的材料,其熔點為高達 1700℃。同時,GaN 有較高的電子密度和電子速度,其高電離度也是在三五族化合物中最高的,因此受到高頻、高功率類別電子產品的青睞。

資料來源:鉅亨網取自 Qorvo

GaN 目前主要的應用就在微波射頻、電力兩大領域。具體而言,微波射頻包含 5G 通訊、雷達預警、衛星通訊等應用;電力則包含智慧電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等。

射頻:GaN 能應用於 5G 小基地站與衛星通訊

GaN 的射頻零組件具有高頻、高功率、較寬頻寬、低功耗、小尺寸的特點,能有效在 5G 世代中節省 PCB 的空間,特別是手機內部空間上,且能達到良好的功耗控制。

在 5G 產品中,GaN 主要應用在 Sub-6GHz 基地台和毫米波(24GHz 以上)的小基地站。Yole 預估,GaN 射頻市場將從 2018 年的 6.45 億美元(約新台幣 194 億元)成長 2024 年的 20 億美元(約新台幣 600 億元),CAGR 達 21%,這主要受電信基礎設施及國防兩大領域所推動,而衛星通信、有線寬頻和射頻也有一定的貢獻。

資料來源:鉅亨網取自 Yole

在要求高頻高功率輸出的衛星通訊中,市場預估 GaN 將逐漸取代 GaAs 成為新的解決方案。而在有線電視和民用雷達市場與 LDMOS 或 GaAs 材料相比,GaN 的成本仍高,短期內大量取代的情況不易見。

在 GaN 射頻領域主要由美、日兩國企業主導,其中,以美商 Cree 居首,住友電工、東芝、富士通等日商緊追在後,中國廠如三安光電、海特高新、華進創威在此領域雖有著墨,但與國際大廠相比技術差距大。

電力:GaN 材料的電源產品更為輕薄,充電插頭體積也較小

在 600 伏特左右電壓下,GaN 在電源管理、發電和功率輸出方面具有明顯的優勢,這使 GaN 材料的電源產品可更為輕薄、高效率,且 GaN 充電插頭體積小、功率高、支援 PD 協定,有機會在未來統一 NB 和手機的充電器市場。

27w GaN 充電插頭(左)VS Apple 30W 充電插頭(右)。圖片來源:鉅亨網取自充電頭網

因為材料特性的差異,矽在高於 1200V 的高電壓、大功率具有優勢,而 GaN 製的產品更適合 40~1200V 的應用,特別是在 600V/3KW 能發揮最大優勢。因此,在伺服器、馬達驅動、UPS 等領域,GaN 可以挑戰傳統 MOSFET 或 IGBT 的地位。

資料來源:鉅亨網取自 Infineon

Yole 預計,2024 年 GaN 電源市場產值將超過 3.5 億美元(約新台幣 105 億元),CAGR 達 85%,當中,GaN 快充是推動產業高成長的主要力量。此外,GaN 還有望滲透進入汽車及工業和電信電源應用中。

從生產端來看,GaN 功率半導體已開始少量出貨,但由於其價格過於昂貴,是影響現階段發展受限的主要因素。價格不親民是因為目前 GaN 製晶片仍以 6 吋及以下的晶圓廠生產為主,尚未顯現規模效應,若未來成本能再大幅下降,市場需求就會爆發。

在 GaN 功率領域中,市場主要由 Infineon、EPC、GaN Systems、Transphorm,及 Navitas 等公司主導,其產品是由 TSMC,Episil、X-FAB 進行代工。中國新興代工廠中,三安光電和海特高新具有量產 GaN 功率零組件的能力。

雖然 GaN 有著許多優勢,但因為產品價格偏高,這是現在消費性電子產品未大量採用的主因。反而在衛星、軍事這類對價格敏感度低的產業,GaN 零組件對其有極大的吸引力。

不過,從意法半導體與台積電之間的合作可以看出,在 5G 世代中,GaN 已經是不可缺少的重要原料,特別是在車電領域(與手機等消費性電子相比,價格敏感度低),將是國際大廠搶進重點領域之一。

(本文經合作夥伴 鉅亨網 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈〈分析〉 一文看懂:GaN 在射頻、電力產業潛力 〉。首圖來源:Pxhere CC Licensed

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