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切入电力电子器件,LED企业在GaN领域谋转型

自2020年宣布发力GaN电力电子器件以来,华灿光电到现在已经取得了突破性进展。在近日的集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会现场,华灿光电副总裁王江波围绕《新应用下氮化镓技术的发展和挑战》主题,分析了GaN材料和器件的应用及市场趋势,并在媒体群访中透露了公司在GaN器件上的规划。

随着氮化镓(GaN)功率器件市场份额逐渐增加,近年来GaN功率器件供应链参与者日益增多。从参与企业类型来看,除了英诺赛科、纳微半导体、聚能创新等初创企业之外,还有华灿光电、晶元光电等传统光电企业,以及台积电、安森美、TI、英飞凌、ST、PI等晶圆厂或IDM企业。KTjesmc

自2020年宣布发力GaN电力电子器件以来,华灿光电到现在已经取得了突破性进展。在近日的集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会现场,华灿光电副总裁王江波围绕《新应用下氮化镓技术的发展和挑战》主题,分析了GaN材料和器件的应用及市场趋势,并在媒体群访中透露了公司在GaN器件上的规划。KTjesmc

GaN材料在光电显示上的应用

从材料体系角度来看,GaN的禁带宽度覆盖了紫外-红外带系,能应用在紫外光/蓝光/绿光LED以及激光器等光电器件中,在显示、照明、通信等领域有广泛应用。因GaN材料的带系很宽,具备高密度2DEG(二维电子气),其击穿电场、饱和速度非常高,让GaN材料在Mini LED、Micro LED、传统LED照明领域的应用优势突出。KTjesmc

回顾显示行业的发展,可以看到显示技术的迭代过程:从2000年开始,全彩显示屏应用于大型活动、广场以及室内场景;到2013年小间距显示兴起,室内显示器的间距下探到P 2.5;2019年,间距P 1.2以内的Mini LED直显RGB开始商用;2020-2021年年底, P 1.0-P 0.8间距的Mini LED直显RGB在高清室内会议系统和监控中心广泛商用。KTjesmc

可以说,2021年是Mini LED背光的元年,苹果、华为、TCL、康佳等大厂,均推出了采用Mini LED背光技术的产品。Mini LED背光技术的加持,让显示设备具备局部敏感调节、超薄厚度、色域广等特点,并在未来的背光应用中展现出优势。KTjesmc

大家一致认为,Micro LED会是终极的显示技术,无论从亮度、对比度还是可靠性方面,Micro LED技术都具有优势。当前,业内领先企业已经推出了Micro LED样品,只是还需进一步解决一些技术、工艺难题。KTjesmc

这些难题具体包括:良率、光效、小电流注入、外延材料、芯片加工、巨量转移、全彩化、控制、修复等。需要产业链从上游至下游共同努力攻关。据王江波介绍,华灿光电在外延、芯片方面已经做了很多工作,也正与下游合作伙伴针对转移方式、实现全彩化的方案上做探索。KTjesmc

另据权威行业机构判断,Micro LED的商业化进程从两方面切入:首先是大屏,代表产品包括电视、显示屏,其次是小屏幕,代表产品包括可穿戴设备、AR/VR设备。Micro LED将率先在这两个方向商业化。KTjesmc

综合来说,Mini直显RGB已大规模量产,P 1.2-P 0.3间距是未来的主力。随着Mini背光技术越来越成熟,在平板、大尺寸TV、电竞显示器、车载等应用上均会展现优势。KTjesmc

GaN材料在电力电子上的应用

GaN材料的另一个重要应用是电力电子器件,它通过逆变、升压、降压、变频、变相等手段来实现粗电变细电。市场也对电力电子器件提出了新要求,在能源管理、尺寸、转换效率、灵敏度等方面均有提升。GaN技术方面的优势正好可匹配这些要求,与传统Si功率器件比起来,GaN功率器件的电能转换效率更高,可实现更高的频率,且器件体积更小、功率密度更大。KTjesmc

GaN功率器件的技术路线和应用主要有以下几种:一是D-Mode(耗电型)HEMT的技术路线,它包括以Transphorm为代表的方案,采取了Si MOS+GaN HEMT级联的方式;二是把硅基Driver和GaN HEMT进行合封,一定程度上解决电路串绕问题,其开关频率更低,但应用方式更简便,适合快充领域;三是采用负压直驱D-MODE GaN HEMT器件,其开关频率高,但方案复杂、成本较高;四是增强型E-Mode GaN基HEMT方案。KTjesmc

正因GaN材料在功率器件上的优势,市场对它的预测非常乐观,从快充应用到数据中心、电动汽车等领域均有非常快速的发展。目前,GaN功率器件主要集中在消费电子快充市场,预计未来4年内的渗透率将达到75%。KTjesmc

GaN在数据中心的应用涉及到工业电源。工业电源要全天候保持安全、高效、稳定,而如何实现更小、更快、更轻的系统,并还能降低总体系统成本,是华灿光电未来发力的方向之一。通过GaN功率器件前级电路和后级LLC谐振电路,来实现大于90%的能量转换,能助力系统在全负载情况下达到钛金级使用标准。KTjesmc

GaN在电动汽车,尤其在OBC(车载充电器)中的应用也值得关注。相对Si材料,GaN材料能使器件提升5倍功率密度、降低3倍功耗,该特性为未来器件的集成性提供了新的可能性。KTjesmc

GaN在自动驾驶汽车雷达上的应用也颇受关注。安装在汽车周围的雷达不断发射高频信号,并收集返回信号做解码/编码。在这个过程中,更短的脉冲意味着更高的分辨率、更快的测量、更精确的计算。GaN 功率器件具有优越的栅极MOM,它的开关速度更快,可帮助雷达系统识别更远距离的图像。KTjesmc

华灿光电针对GaN功率器件的布局

华灿光电自2005年成立起即深耕GaN材料领域,主要针对蓝光、绿光等照明显示应用。2020年,华灿光电募投约3亿元投向GaN电力电子器件领域。目前,华灿光电已实现了6英寸、8英寸GaN电力电子器件外延优化,6英寸硅基GaN 电力电子器件工艺已通线,器件性能参数良好。100mm栅宽D-Mode器件静态参数已达标(对标国际市场)。预计2022年底推出650V cascode产品,2023年具备批量生产和代工能力。KTjesmc

光电器件注重发光亮度、颜色控制等方面的诉求,电力电子器件则更多的是考量电性参数,它们对材料和工艺的要求不同。“华灿光电的技术专长是外延材料的生长以及芯片工艺的制备,在电力电子器件领域,这些技术与光电器件有相通性。”KTjesmc

王江波表示,从技术和方案的成熟度、市场的接受度来看,率先切入快充市场相对来说更容易。公司针对数据中心、电动汽车等领域也在提前布局,以期未来顺利切入。KTjesmc

近期,华灿光电公告称“拟与华实产研共设先进半导体研究院”。王江波强调说,研究院重点研究未来三到五年的前瞻性技术,以期在先进半导体领域获获更快发展。KTjesmc

原创
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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