集微咨詢（JW insights）認為：

- PD快充拉開GaN市場爆發的序幕，滲透率遠高于行業預期。

- 中低壓GaN將在更多消費電子電源、工業（數據中心）、電動汽車等領域大展拳腳。

- GaN功率器件大規模應用仍面臨制造、可靠性、成本等方面挑戰。

- 國產GaN廠商可以以消費電子應用為突破點，積累技術和市場經驗后再向門檻更高的工業、汽車應用進軍。

10月20日，納微半導體在美國納斯達克上市，成為全球首家氮化鎵（GaN）功率芯片上市公司，總市值超過10億美元。隨著手機快充大規模采用，GaN高頻高效的優勢充分展現，受益于這一輪的東風，TrendForce預計納微將以29%的出貨量市占率拿下今年全球GaN功率市場第一名。

在《集微咨詢：千呼萬喚始出來的蘋果GaN快充，拉開下一個GaN爆點的序幕》中集微咨詢（JW insights）分析指出，隨著中低壓GaN技術不斷成熟，競爭力提升，這將大大加速GaN生態的發展和成熟，成為GaN大規模商用的真正爆點。如果按照工作電壓來分類，全球功率器件約68%應用在0~900V的區間。如果以2021年442億美元的功率器件市場來看，全球GaN功率器件的潛在市場規模約300億美元。如果能彌補制造、可靠性、成本等方面的不足，繼快充等高壓應用爆發之后，中低壓GaN功率器件將有望在消費電子、汽車、工業等領域中煥發更大的活力。

消費電子

GaN功率器件在快充領域的應用拉開了市場爆發的序幕。CASA Research數據顯示，2020年國內PD快充GaN功率器件市場規模約1.5億元人民幣，預計到2025年市場規模將超過40億元，年均復合增長率97%。而2020年全球PD快充GaN功率器件器件市場規模超過3億元，預計到2025年市場規模將超過82億元，年均復合增長率90%。

此前Yole預測，至2024年GaN電源市場CAGR可高達85%，集微咨詢（JW insights）認為，從當前的情況來看，GaN功率器件器件在PD快充領域的實際滲透速度遠遠高于預期。

OPPO在今年7月舉行的閃充開放日交流活動上，首次將低壓GaN應用在了手機內部電路上，用一顆GaN開關管取代兩顆串聯的硅MOSFET，實現快充充電的路徑管理。隨著GaN的大規模生產，成本進一步降低，低壓GaN應用市場還將進一步拓寬，更多使用傳統硅器件的場合，如電腦主板、筆記本主板上面的核心供電、車載充電器、逆變器等，內部的硅器件將被GaN所取代，獲得更輕更小的產品體驗。

集微咨詢（JW insights）認為，接下來在低壓、小功率電源領域，包括LED驅動電源、電動工具電源、消費電源、D類音頻功放、手機無線充電等應用中，GaN功率器件將有望成為驅動市場的新力量。

Orchard Audio的基于GaN Systems GaN技術的500W立體聲氮化鎵流媒體Hi-Fi音頻放大器（左上）

例如隨著GaN晶體管技術的應用，消除了Qrr（反向恢復電荷），Coss（輸出電容）也大幅度降低，在確保提供最好THD + N結果的同時，能夠以更高的開關頻率運行。小巧封裝所固有的低RDS(on) (max)使D類GaN放大器可以在小體積內提供高音頻保真度，而無需笨重的散熱解決方案。如今有越來越多的的音頻品牌生產基于GaN的放大器。

電動汽車

在去年的PCIM Europe 2020展會上，GaN Systems介紹了一款All-GaN（全氮化鎵）汽車，采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了GaN在汽車功率轉換方面的可行性，同時也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。如今，已有多家企業嘗試讓GaN“上車”，在牽引逆變器、DC/DC、車載充電器、LED照明驅動領域躍躍欲試。

2020年6月，安世半導體推出新一代650V GaN FET，應用于車載充電器、高壓DC/DC轉換器和發動機牽引逆變器；11月TI推出了首款面向汽車應用的帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的650V GaN FET；2021年5月ST宣布推出STi 2 GaN解決方案，適用于車載充電器、用于自動駕駛的LiDAR、雙向DC/DC轉換器、D類放大器和電源轉換系統……

與硅功率器件相比，GaN功率器件的優勢在于最大可提高四倍的開關速度、電壓和電流交叉損耗更低、功率密度最高可提升40%、降低整車系統重量和成本等。集微咨詢（JW insights）認為，未來GaN功率器件在電動汽車牽引逆變器(650V/900V GaN)、48V/12V DC/DC(100V GaN)、車載充電器(650V/900V GaN)、激光雷達(100V GaN)雷達等應用中得到大規模應用。

Yole數據指出，傳統汽車和新能源汽車會是GaN功率器件的全新應用場景，到2026年市場規模將從2020年的30萬美元增加到1.6億美元。

工業（數據中心）

隨著5G、物聯網、人工智能、自動駕駛等新一代信息技術的快速演進，要求數據中心有更強的計算能力、更大的存儲能力及更快的傳輸能力，服務器單機柜的功率也隨之不斷提升。研究機構數據顯示，中國數據中心用電量持續快速增長，2019年~2023年年均總能耗增長率高達10.64%。

研究指出，如果全球采用硅器件的數據中心都升級為GaN器件，將減少30~40%的能源浪費，相當于節省了 100兆瓦時太陽能和1.25億噸二氧化碳排放量，對“雙碳”目標是一個強有力的支柱。

GaN器件用于從交流電（AC）到直流電（DC）的電源轉換，然后用于轉換負載的直流（DC）電源，可以將整體效率從原來的77％提高到84％。傳統的電源機柜，差不多需要10個電源供應30個服務器，而使用GaN器件的電源模塊由于能量密度高，6個電源就可以帶動34個服務器，能量密度提升就使得硬件尺寸更小，無需建造更多數據中心就可以放置更多服務器，實現數據中心容量增長。行業數據指出，基于GaN、用于服務器和數據存儲產品的電源裝置(PSU)每年可為大型數據中心運營商減少超過1億美元的能源成本，并減少近100萬公噸的二氧化碳排放量。

我國也已經在“十四五”計劃中將建設“面向大數據中心應用的GaN基高效功率電子，應用于數據中心電源的GaN電力電子器件”提上日程。預計，未來這個市場復合年均增長率將達到66.5%。

GaN仍需克服的挑戰

GaN在性能、效率、能耗、尺寸等多方面較市場主流的硅功率器件均有數量級的提升，但制造GaN器件所涉及的每一道工序相較硅器件要求都更高，以獲得最佳的器件性能和可靠性。實現快速開關、高功率密度和高擊穿電壓的GaN器件，需要高質量的外延，Si襯底上GaN外延最大的挑戰來自于熱失配以及晶格失配引入的殘余應力，應力會導致外延片發生龜裂、翹曲等一系列問題，因此需要引入AlN或AlGaN層來解決應力調控等問題；另一方面，Si 和GaN 之間的晶格失配也會在外延層中引入大量的缺陷，降低了材料的晶體質量以及器件的性能，因此需要增加Si 襯底GaN外延層的厚度來降低缺陷。

集微咨詢（JW insights）認為，在制造方面，GaN仍面臨以下關鍵挑戰：

首先是原始創新能力較低。國內開展GaN等第三代半導體器件和材料的研究比較晚，與國外差距較大，且GaN是涉及重要國防軍工產品的關鍵技術，國外對我國實施相關技術封鎖，因此當前我國在該領域核心材料、器件等方面的原始創新能力仍然薄弱。

其次是國內GaN器件的外延技術仍待提升。目前大多數GaN功率器件均采用硅襯底，而硅基GaN外延片制備技術仍然存在應力調控、晶格失配等問題，在原材料配方設計、制造工藝技術、配套設備工藝設計、自主研發能力、資本實力、產業鏈資源等各方面的能力儲備缺一不可。

其中，GaN的外延生長方面面臨的挑戰更為突出，缺陷密度、晶圓內均勻性和技術產業化都是業內探索的重點。尤其是隨著GaN器件制造逐漸從6英寸向8英寸晶圓過渡，鑒于GaN和硅在膨脹過程中不同的晶格常數和熱系數，在硅上生長外延GaN以形成穩定可靠的HEMT，這從超晶格結構和應力控制方面來說是一個非常具有挑戰性的工藝。

成本也是GaN遲遲不能進入主流應用的阻礙之一。多年來隨著技術和產業的不斷發展，人們逐步認識到GaN的性能優勢，包括更高的功率密度和功率效率，但許多電源系統制造商（尤其是對價格敏感的消費類電源制造商）還是選擇等待GaN功率器件價格逐步接近硅器件時才開始應用。對此，GaN也如同傳統半導體材料、器件的發展規律一樣，大規模量產可幫助有效降低成本。比如，一個月產能4K片的晶圓廠和一個月產能40K片的晶圓廠，其晶圓的成本可能會相差好幾倍。

在這方面，今年6月國產廠商英諾賽科（Innoscience）全球首個8英寸硅基GaN晶圓廠投產，助推其出貨量市占率從2019年的6%一舉攀升至今年的20%，躍升為全球第三，可見IDM模式優勢將在GaN產業高速發展中逐步顯現。

集微咨詢（JW insights）認為，當前較為普遍的6英寸晶圓用來做低壓GaN沒有任何優勢，其性價比與硅器件相比無法體現，這是低壓GaN面臨的一個困境。然而今年來GaN的制造開始逐步轉向8英寸晶圓，可以提高性能的同時將生產成本降下來，這是降低低壓GaN器件成本的一個關鍵點。隨著出貨數量快速增長，GaN功率器件價格已經逼近硅MOSFET的價格，將促使市場越來越廣泛地采用。

另一方面，GaN器件的平均價格在不斷降低。根據分銷商Mouser數據，2020年80%的在售GaN HEMT產品為耐壓650V，100V、900V僅有少數幾款。技術和價格均不穩定。650V產品到2020年底平均價格約為2.73元/A，與2019年同期相比下降了23.5%。盡管市場需求火爆和疫情影響供應鏈導致原材料價格上漲，GaN芯片在供不應求的狀況下依然呈現出整體價格下滑的趨勢。CASA Research數據指出，2020年底，面向PD快充的650V GaN HEMT實際成交價格區間已經來到0.5元/A以內，與硅器件的價差已經縮小到1.5倍以內，已經達到了甜蜜點。考慮上系統成本(包括周邊的散熱、基板等成本)和能耗等因素，GaN模組已經具備一定競爭力。

結語

更低的能耗是行業不變的追求。隨著需求端對供電系統電源功率密度需求的不斷增加，供應端功率器件設計和制備工藝水平的不斷提升，在產業鏈各方的努力攻關下，繼快充等高壓應用爆發后，GaN功率器件將在消費電子、汽車、工業等領域中煥發更大的活力。

隨著我國“雙碳”目標確立提速，對第三代半導體需求猛增，產業的關注度日益增高，國產化需求下，促使GaN在更多領域的應用的滲透率將進一步加深。集微咨詢（JW insights）認為，本土GaN廠商可以以門檻較低的消費電子為突破點，提升在材料、器件、制造工藝等方面的技術水平并在下游應用中進行充分驗證，積累更多量產、商業化經驗再向數據中心、電動汽車等要求更高的行業進軍。（薩米）

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