各行各業如今都在追求“效率”“能效”，電源、功率相關的應用上，更高的效率意味著更高的功率密度：包括追求體積更小的解決方案，并確保所需的功率級;包括數據中心、電動汽車等諸多領域，都有這樣的需求。與此同時電源管理系統對于實現更高的效率，降低總成本也是有價值的。
這些需求自然也推升了半導體材料的突破，所以這兩年我們看到原本主流基于硅的功率半導體因受限于高壓，當前行業正轉向更高開關頻率、最小化開關損耗的的方案，比如說基于GaN氮化鎵的功率器件——實現整體AC/DC轉換效率達到大約98%。
Yole Developpement今年發布的GaN Power 2021報告預期，到2026年GaN功率市場規模預計會達到11億美元。所以這兩年活躍于市場的GaN功率器件與更完整的解決方案層出不窮。其中比較具有代表性的是今年英飛凌發布的CoolGaN™ IPS系列產品：也就是集成了driver和GaN HEMT晶體管的整合型產品。
之所以說CoolGaN™ IPS有代表性，主要是因為其技術特性、覆蓋應用場景，與當代GaN功率器件市場的發展相當契合。藉由這款產品，以及Yole與其他分析機構的預期數據，我們來看看GaN功率市場當前的發展現狀：這種被稱作第三代半導體的一個重要組成部分，未來的市場前景比我們預想中更好。
市場趨勢：消費電子和快充成為最大驅動力
Yole預期2026年的GaN功率市場規模為11億美元。我們找兩個統計機構的參考：Yole這個量級的數據預期和MarketsAndMarkets的數據略有差異。后者前兩年的報告預期2023年，GaN功率器件市場規模就能達到18.9億美元。還有一家做過此類市場統計的，Allied Market Research數據提及2027年GaN功率器件市場規模到2027年預計是12.45億美元
三家機構的統計范圍可能是存在差異的，不過總體上對于GaN功率市場的上升速度預期比較類似。本文我們主要參考Yole的數據。首先我們來談談GaN功率器件不同應用市場的發展情況。
2020-2026，這一市場的主力應用方向預計都將是消費應用：2026年消費應用會占到整個GaN功率市場的大約61%——2020年這部分市場規模是2870萬美元，2026年則將大幅擴張至6.72億美元，CAGR 69%。從OPPO較早為其手機配備65W功率的氮化鎵充電器開始，去年諸多手機OEM廠商和配件供應商都開始提供氮化鎵快充解決方案。
英飛凌CoolGaN™ IPS(Integrated Power Stage)600V系列方案面向中低功率應用，一大目標市場就在USB-PD充電器與適配器(另外還包括電機驅動器、開關電源、超薄電視電源等)，主要基于這類型的產品更小的尺寸與更高的功率密度需求。且IPS的集成形態，將GaN晶體管與EiceDRIVER驅動器以緊湊的QFN封裝，提升了設計的易用度、減少time-to-market時間。事實上更高的集成度是在GaN晶體管特性的基礎上，做到應用小型化、輕盈化的更進一步。
英飛凌在接受我們采訪時提到，“尤其是半橋架構，在一個8*8封裝內，集成了上下橋臂的GaN switch，以及兩路driver和隔離單元，尤其適用于ACF，LLC等拓撲，無需使用單獨的隔離驅動器，節省成本和占板面積。”
另外一點是以SiP(System-in-Package)的方式集成，加上gate driver的高精度和穩定傳輸時延，實現了較低的系統死區時間(dead times)。最終實現的功率密度是35W/inch³。所以我們看到市場上的很多高功率電源適配器尺寸變得越來越小。
Yole在報告中提到去年功率GaN市場容量是翻倍的，這主要得益于快充應用的滲透，而且這種市場趨勢會在配件市場上延續——尤其是在蘋果、小米、三星等廠商對其旗艦手機產品不再采用隨機附贈的充電器解決方案以后。
除了消費電子市場外，另外兩個比較重要的市場驅動力是電信與數據通訊(telecom & datacom)和汽車(automotive & mobility)市場——也是未來市場起量的重要組成部分。汽車市場的增量在這6年間將實現CAGR 185%的增長，2026年的市場規模預期1.55億美元。
而在電信和數據通訊市場，對GaN的應用會比消費市場更早一些，因為該市場目前對于能耗，有更高效、尺寸更小的需求。根據英飛凌透露，英飛凌CoolGaN™早就2017年就已經在通訊電源和服務器電源上批量出貨。所以這一市場2020-2026 CAGR會達到71%，預期6年后的市場規模可超2.23億美元。
技術趨勢：GaN-on-Si e-mode
Yole總結功率GaN市場的技術趨勢，其中比較重要的一點是以爆發的快充市場為目標，更多的市場參與者會進入到GaN-on-Si e-mode(增強型)技術領域——這一平臺來未來幾年內會持續擴容，雖然更大wafer尺寸的外延生長是存在挑戰的。
這張圖是相關GaN-on-Si專利公布數量這些年的發展趨勢——不過方向涵蓋了光電、功率、射頻、傳感器等，其中綠色的是我們本次關注的功率器件部分。其整體大趨勢走勢都在往上。
英飛凌CoolGaN™ IPS中的CoolGaN™ HEMT器件就是GaN-on-Si工藝，且以e-mode結構在控制系統成本的情況下實現較高的效率。英飛凌此前表示，這種e-mode(enhancement mode)提供開關速度的同時，能夠獲得更好的芯片集成性。
GaN HEMT的晶體管層外延生長在硅基上，包括GaN、AlGaN和p型摻雜GaN再做沉積，是為GaN-on-Si。HEMT CoolGaN™晶體管結構如上圖所示。基于GaN-on-Si的HEMT功率器件能夠提供比較出色的FOM(品質因數)。值得一提的是，英飛凌表示，GaN晶體管的源極與柵極之間的的內在二極管的存在，消除了反向恢復電荷，對于硬開關電源半橋解決方案，很適配GaN技術;比如跑在不間斷電流模式下的PFC(功率因數校正)電路，可獲得較高的效率。
所以相關于e-mode——增強型器件，也是現在的一個熱點。GaN器件在系統中沒有柵極信號的情況下，導通溝道為“normally-on”狀態即d-mode HEMT，而normally-off模式的為e-mode。對于d-mode晶體管而言有多種技術實現normally-off關斷狀態，比如說凹槽柵(recessed-gate)技術;或者也可以加個低壓共源共柵開關晶體管(Cascode級聯技術)，保持溝道的normally-off態等。類似這樣的方法會影響到器件工作時的穩定性、性能，相比于真正e-mode晶體管會存在一些問題。
還有一種方法，也就是前面提到的p-gate結構技術，以氮化鎵摻雜應用于柵極，開關即默認處在normally-off模式。這種方法雖然也存在一些技術挑戰和難點，但優勢在于更高的穩定性，而且不需要穩壓二極管來保護柵極;與此同時p-gate隨溫度變化提供更好的動態RDSon。
所以從整體上來看，CoolGaN™ IPS都是相當契合GaN功率器件市場與技術的發展主流方向的產品。CoolGaN™ IPS是英飛凌最新的寬禁帶功率半導體器件產品組合，其600V產品家族包括半橋和單通道配置方案;將CoolGaN™ e-mode HEMT開關和EiceDRIVER柵極驅動器作了整合。這些前文多少也都提到了。
可在技術趨勢方面做補充的是，這里的gate driver驅動器輸入輸出隔離是基于英飛凌的單芯片無磁芯變壓器CT(Coreless Transformer)技術。英飛凌告訴我們，這項技術內置于IPS產品之上，提供低時延、耐干擾、高可靠的驅動隔離。具體體現在(1)低于47ns的時延，支持1MHz高頻開關，死區控制更精準，半橋控制一致性更好;(2)無磁芯變壓器驅動，氣隙隔離更安全，1A/2A驅動能力更強。
另外，CoolGaNTM IPS采用外部可配置驅動RC網絡，優化具體路線dv/dt;輸入/輸出級功能絕緣，上、下管可承受更高的dv/dt及共模噪聲干擾，提高產品的可靠性。
未來與長期市場展望
回到GaN功率器件市場的發展。長期發展來看，GaN的可靠性、成本效益未來對于滲透更具挑戰性的EV/HEV逆變器市場和工業市場而言都會具備相當的價值。這些對于GaN而言都是走量的機會，市場參與者也已經普遍在這方面做部署。
對于GaN功率器件在消費電子、汽車應用市場未來的發展潛力，幾乎是我們看到所有分析機構的共識，文首也已經提到了。與此同時，Allied Market Research總結了這一市場的幾個影響因素，比如GaN器件價格的下降，促成各行業的應用;甚至同時提供可一定程度媲美SiC的性能水平，而價格更低。GaN-on-Silicon是獲得價格和性能優勢的基礎。
另一個重要因素是全球各國政府在HVDC(高壓直流)電力傳輸系統以及智能電網方面的激勵政策，包括中國、日本、美國。GaN功率器件模組的變頻器在HVDC系統中正變得流行，各國政府對于智能電網技術投入力度很大，這也會成為重要的驅動力。
除此之外，分析機構普遍還提到了電動車、無線充電、5G基礎設施等技術發展對于GaN功率市場的促進作用，這些在前文也已經提到過。滲透到更多的市場，并且與其他寬禁帶器件構成競爭或互補的關系，將是GaN未來幾年的發展走向。
