新火種
2023-09-07 
一文看懂GaN在射頻和電子中的應用
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由于2 月13 日小米在新品發表會中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化鎵(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: QorvoGaN 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。
射頻領域
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基地臺和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole預估GaN射頻市場將從2018年的6.45億美元成長2024年的20億美元，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: 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后，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
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: 充電頭網)因為材料特性的差異，硅在高于1200V 的高電壓、大功率具有優勢，而GaN 制的產品更適合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: Infi neo n Yole預計2024年GaN電源市場產值將超過3.5億美元，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，但由于其價格過于昂貴，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 制芯片仍以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Infi neo n、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采用的主因。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，從意法半導體與臺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。
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