切入電力電子器件，LED企業在GaN領域謀轉型
2021-12-21 9:29:33??????點擊：
隨著氮化鎵（GaN）功率器件市場份額逐漸增加，近年來GaN功率器件供應鏈參與者日益增多。從參與企業類型來看，除了英諾賽科、納微半導體、聚能創新等初創企業之外，還有華燦光電、晶元光電等傳統光電企業，以及臺積電、安森美、TI、英飛凌、ST、PI等晶圓廠或IDM企業。
自2020年宣布發力GaN電力電子器件以來，華燦光電到現在已經取得了突破性進展。在近日的集邦咨詢化合物半導體新應用前瞻分析會現場，華燦光電副總裁王江波圍繞《新應用下氮化鎵技術的發展和挑戰》主題，分析了GaN材料和器件的應用及市場趨勢，并在媒體群訪中透露了公司在GaN器件上的規劃。
GaN材料在光電顯示上的應用
從材料體系角度來看，GaN的禁帶寬度覆蓋了紫外-紅外帶系，能應用在紫外光/藍光/綠光LED以及激光器等光電器件中，在顯示、照明、通信等領域有廣泛應用。因GaN材料的帶系很寬，具備高密度2DEG（二維電子氣），其擊穿電場、飽和速度非常高，讓GaN材料在Mini LED、Micro LED、傳統LED照明領域的應用優勢突出。
回顧顯示行業的發展，可以看到顯示技術的迭代過程：從2000年開始，全彩顯示屏應用于大型活動、廣場以及室內場景；到2013年小間距顯示興起，室內顯示器的間距下探到P 2.5；2019年，間距P 1.2以內的Mini LED直顯RGB開始商用；2020-2021年年底， P 1.0-P 0.8間距的Mini LED直顯RGB在高清室內會議系統和監控中心廣泛商用。
可以說，2021年是Mini LED背光的元年，蘋果、華為、TCL、康佳等大廠，均推出了采用Mini LED背光技術的產品。Mini LED背光技術的加持，讓顯示設備具備局部敏感調節、超薄厚度、色域廣等特點，并在未來的背光應用中展現出優勢。
大家一致認為，Micro LED會是終極的顯示技術，無論從亮度、對比度還是可靠性方面，Micro LED技術都具有優勢。當前，業內領先企業已經推出了Micro LED樣品，只是還需進一步解決一些技術、工藝難題。
這些難題具體包括：良率、光效、小電流注入、外延材料、芯片加工、巨量轉移、全彩化、控制、修復等。需要產業鏈從上游至下游共同努力攻關。據王江波介紹，華燦光電在外延、芯片方面已經做了很多工作，也正與下游合作伙伴針對轉移方式、實現全彩化的方案上做探索。
另據權威行業機構判斷，Micro LED的商業化進程從兩方面切入：首先是大屏，代表產品包括電視、顯示屏，其次是小屏幕，代表產品包括可穿戴設備、AR/VR設備。Micro LED將率先在這兩個方向商業化。
綜合來說，Mini直顯RGB已大規模量產，P 1.2-P 0.3間距是未來的主力。隨著Mini背光技術越來越成熟，在平板、大尺寸TV、電競顯示器、車載等應用上均會展現優勢。
GaN材料在電力電子上的應用
GaN材料的另一個重要應用是電力電子器件，它通過逆變、升壓、降壓、變頻、變相等手段來實現粗電變細電。市場也對電力電子器件提出了新要求，在能源管理、尺寸、轉換效率、靈敏度等方面均有提升。GaN技術方面的優勢正好可匹配這些要求，與傳統Si功率器件比起來，GaN功率器件的電能轉換效率更高，可實現更高的頻率，且器件體積更小、功率密度更大。
GaN功率器件的技術路線和應用主要有以下幾種：一是D-Mode（耗電型）HEMT的技術路線，它包括以Transphorm為代表的方案，采取了Si MOS+GaN HEMT級聯的方式；二是把硅基Driver和GaN HEMT進行合封，一定程度上解決電路串繞問題，其開關頻率更低，但應用方式更簡便，適合快充領域；三是采用負壓直驅D-MODE GaN HEMT器件，其開關頻率高，但方案復雜、成本較高；四是增強型E-Mode GaN基HEMT方案。
正因GaN材料在功率器件上的優勢，市場對它的預測非常樂觀，從快充應用到數據中心、電動汽車等領域均有非常快速的發展。目前，GaN功率器件主要集中在消費電子快充市場，預計未來4年內的滲透率將達到75%。
GaN在數據中心的應用涉及到工業電源。工業電源要全天候保持安全、高效、穩定，而如何實現更小、更快、更輕的系統，并還能降低總體系統成本，是華燦光電未來發力的方向之一。通過GaN功率器件前級電路和后級LLC諧振電路，來實現大于90%的能量轉換，能助力系統在全負載情況下達到鈦金級使用標準。
GaN在電動汽車，尤其在OBC（車載充電器）中的應用也值得關注。相對Si材料，GaN材料能使器件提升5倍功率密度、降低3倍功耗，該特性為未來器件的集成性提供了新的可能性。
GaN在自動駕駛汽車雷達上的應用也頗受關注。安裝在汽車周圍的雷達不斷發射高頻信號，并收集返回信號做解碼/編碼。在這個過程中，更短的脈沖意味著更高的分辨率、更快的測量、更精確的計算。GaN 功率器件具有優越的柵極MOM，它的開關速度更快，可幫助雷達系統識別更遠距離的圖像。
華燦光電針對GaN功率器件的布局
華燦光電自2005年成立起即深耕GaN材料領域，主要針對藍光、綠光等照明顯示應用。2020年，華燦光電募投約3億元投向GaN電力電子器件領域。目前，華燦光電已實現了6英寸、8英寸GaN電力電子器件外延優化，6英寸硅基GaN 電力電子器件工藝已通線，器件性能參數良好。100mm柵寬D-Mode器件靜態參數已達標（對標國際市場）。預計2022年底推出650V cascode產品，2023年具備批量生產和代工能力。
光電器件注重發光亮度、顏色控制等方面的訴求，電力電子器件則更多的是考量電性參數，它們對材料和工藝的要求不同。“華燦光電的技術專長是外延材料的生長以及芯片工藝的制備，在電力電子器件領域，這些技術與光電器件有相通性。”
王江波表示，從技術和方案的成熟度、市場的接受度來看，率先切入快充市場相對來說更容易。公司針對數據中心、電動汽車等領域也在提前布局，以期未來順利切入。
近期,華燦光電公告稱“擬與華實產研共設先進半導體研究院”。王江波強調說，研究院重點研究未來三到五年的前瞻性技術，以期在先進半導體領域獲獲更快發展。
自2020年宣布發力GaN電力電子器件以來，華燦光電到現在已經取得了突破性進展。在近日的集邦咨詢化合物半導體新應用前瞻分析會現場，華燦光電副總裁王江波圍繞《新應用下氮化鎵技術的發展和挑戰》主題，分析了GaN材料和器件的應用及市場趨勢，并在媒體群訪中透露了公司在GaN器件上的規劃。
GaN材料在光電顯示上的應用
從材料體系角度來看，GaN的禁帶寬度覆蓋了紫外-紅外帶系，能應用在紫外光/藍光/綠光LED以及激光器等光電器件中，在顯示、照明、通信等領域有廣泛應用。因GaN材料的帶系很寬，具備高密度2DEG（二維電子氣），其擊穿電場、飽和速度非常高，讓GaN材料在Mini LED、Micro LED、傳統LED照明領域的應用優勢突出。
回顧顯示行業的發展，可以看到顯示技術的迭代過程：從2000年開始，全彩顯示屏應用于大型活動、廣場以及室內場景；到2013年小間距顯示興起，室內顯示器的間距下探到P 2.5；2019年，間距P 1.2以內的Mini LED直顯RGB開始商用；2020-2021年年底， P 1.0-P 0.8間距的Mini LED直顯RGB在高清室內會議系統和監控中心廣泛商用。
可以說，2021年是Mini LED背光的元年，蘋果、華為、TCL、康佳等大廠，均推出了采用Mini LED背光技術的產品。Mini LED背光技術的加持，讓顯示設備具備局部敏感調節、超薄厚度、色域廣等特點，并在未來的背光應用中展現出優勢。
大家一致認為，Micro LED會是終極的顯示技術，無論從亮度、對比度還是可靠性方面，Micro LED技術都具有優勢。當前，業內領先企業已經推出了Micro LED樣品，只是還需進一步解決一些技術、工藝難題。
這些難題具體包括：良率、光效、小電流注入、外延材料、芯片加工、巨量轉移、全彩化、控制、修復等。需要產業鏈從上游至下游共同努力攻關。據王江波介紹，華燦光電在外延、芯片方面已經做了很多工作，也正與下游合作伙伴針對轉移方式、實現全彩化的方案上做探索。
另據權威行業機構判斷，Micro LED的商業化進程從兩方面切入：首先是大屏，代表產品包括電視、顯示屏，其次是小屏幕，代表產品包括可穿戴設備、AR/VR設備。Micro LED將率先在這兩個方向商業化。
綜合來說，Mini直顯RGB已大規模量產，P 1.2-P 0.3間距是未來的主力。隨著Mini背光技術越來越成熟，在平板、大尺寸TV、電競顯示器、車載等應用上均會展現優勢。
GaN材料在電力電子上的應用
GaN材料的另一個重要應用是電力電子器件，它通過逆變、升壓、降壓、變頻、變相等手段來實現粗電變細電。市場也對電力電子器件提出了新要求，在能源管理、尺寸、轉換效率、靈敏度等方面均有提升。GaN技術方面的優勢正好可匹配這些要求，與傳統Si功率器件比起來，GaN功率器件的電能轉換效率更高，可實現更高的頻率，且器件體積更小、功率密度更大。
GaN功率器件的技術路線和應用主要有以下幾種：一是D-Mode（耗電型）HEMT的技術路線，它包括以Transphorm為代表的方案，采取了Si MOS+GaN HEMT級聯的方式；二是把硅基Driver和GaN HEMT進行合封，一定程度上解決電路串繞問題，其開關頻率更低，但應用方式更簡便，適合快充領域；三是采用負壓直驅D-MODE GaN HEMT器件，其開關頻率高，但方案復雜、成本較高；四是增強型E-Mode GaN基HEMT方案。
正因GaN材料在功率器件上的優勢，市場對它的預測非常樂觀，從快充應用到數據中心、電動汽車等領域均有非常快速的發展。目前，GaN功率器件主要集中在消費電子快充市場，預計未來4年內的滲透率將達到75%。
GaN在數據中心的應用涉及到工業電源。工業電源要全天候保持安全、高效、穩定，而如何實現更小、更快、更輕的系統，并還能降低總體系統成本，是華燦光電未來發力的方向之一。通過GaN功率器件前級電路和后級LLC諧振電路，來實現大于90%的能量轉換，能助力系統在全負載情況下達到鈦金級使用標準。
GaN在電動汽車，尤其在OBC（車載充電器）中的應用也值得關注。相對Si材料，GaN材料能使器件提升5倍功率密度、降低3倍功耗，該特性為未來器件的集成性提供了新的可能性。
GaN在自動駕駛汽車雷達上的應用也頗受關注。安裝在汽車周圍的雷達不斷發射高頻信號，并收集返回信號做解碼/編碼。在這個過程中，更短的脈沖意味著更高的分辨率、更快的測量、更精確的計算。GaN 功率器件具有優越的柵極MOM，它的開關速度更快，可幫助雷達系統識別更遠距離的圖像。
華燦光電針對GaN功率器件的布局
華燦光電自2005年成立起即深耕GaN材料領域，主要針對藍光、綠光等照明顯示應用。2020年，華燦光電募投約3億元投向GaN電力電子器件領域。目前，華燦光電已實現了6英寸、8英寸GaN電力電子器件外延優化，6英寸硅基GaN 電力電子器件工藝已通線，器件性能參數良好。100mm柵寬D-Mode器件靜態參數已達標（對標國際市場）。預計2022年底推出650V cascode產品，2023年具備批量生產和代工能力。
光電器件注重發光亮度、顏色控制等方面的訴求，電力電子器件則更多的是考量電性參數，它們對材料和工藝的要求不同。“華燦光電的技術專長是外延材料的生長以及芯片工藝的制備，在電力電子器件領域，這些技術與光電器件有相通性。”
王江波表示，從技術和方案的成熟度、市場的接受度來看，率先切入快充市場相對來說更容易。公司針對數據中心、電動汽車等領域也在提前布局，以期未來順利切入。
近期,華燦光電公告稱“擬與華實產研共設先進半導體研究院”。王江波強調說，研究院重點研究未來三到五年的前瞻性技術，以期在先進半導體領域獲獲更快發展。
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