市场规模|集微咨询：GaN快充达到甜蜜点，中低压市场迎来更多杀手级应用( 二 )

电动汽车
在去年的PCIM Europe 2020展会上， GaN Systems介绍了一款All-GaN（全氮化镓）汽车，采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性，同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。如今，已有多家企业尝试让GaN“上车” ，在牵引逆变器、DC/DC、车载充电器、LED照明驱动领域跃跃欲试。
2020年6月，安世半导体推出新一代650V GaN FET ，应用于车载充电器、高压DC/DC转换器和发动机牵引逆变器；11月TI推出了首款面向汽车应用的带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的650V GaN FET；2021年5月ST宣布推出STi 2 GaN解决方案，适用于车载充电器、用于自动驾驶的LiDAR、双向DC/DC转换器、D类放大器和电源转换系统……
与硅功率器件相比， GaN功率器件的优势在于最大可提高四倍的开关速度、电压和电流交叉损耗更低、功率密度最高可提升40%、降低整车系统重量和成本等。集微咨询（JW insights）认为，未来GaN功率器件在电动汽车牵引逆变器(650V/900V GaN)、48V/12V DC/DC(100V GaN)、车载充电器(650V/900V GaN)、激光雷达(100V GaN)雷达等应用中得到大规模应用。
【市场规模|集微咨询：GaN快充达到甜蜜点，中低压市场迎来更多杀手级应用】Yole数据指出，传统汽车和新能源汽车会是GaN功率器件的全新应用场景，到2026年市场规模将从2020年的30万美元增加到1.6亿美元。
工业（数据中心）
随着5G、物联网、人工智能、自动驾驶等新一代信息技术的快速演进，要求数据中心有更强的计算能力、更大的存储能力及更快的传输能力，服务器单机柜的功率也随之不断提升。研究机构数据显示，中国数据中心用电量持续快速增长， 2019年~2023年年均总能耗增长率高达10.64% 。
研究指出，如果全球采用硅器件的数据中心都升级为GaN器件，将减少30~40%的能源浪费，相当于节省了 100兆瓦时太阳能和1.25亿吨二氧化碳排放量，对“双碳”目标是一个强有力的支柱。
GaN器件用于从交流电（AC）到直流电（DC）的电源转换，然后用于转换负载的直流（DC）电源，可以将整体效率从原来的77％提高到84％。传统的电源机柜，差不多需要10个电源供应30个服务器，而使用GaN器件的电源模块由于能量密度高， 6个电源就可以带动34个服务器，能量密度提升就使得硬件尺寸更小，无需建造更多数据中心就可以放置更多服务器，实现数据中心容量增长。行业数据指出，基于GaN、用于服务器和数据存储产品的电源装置(PSU)每年可为大型数据中心运营商减少超过1亿美元的能源成本，并减少近100万公吨的二氧化碳排放量。
我国也已经在“十四五”计划中将建设“面向大数据中心应用的GaN基高效功率电子，应用于数据中心电源的GaN电力电子器件”提上日程。预计，未来这个市场复合年均增长率将达到66.5% 。

GaN仍需克服的挑战
GaN在性能、效率、能耗、尺寸等多方面较市场主流的硅功率器件均有数量级的提升，但制造GaN器件所涉及的每一道工序相较硅器件要求都更高，以获得最佳的器件性能和可靠性。实现快速开关、高功率密度和高击穿电压的GaN器件，需要高质量的外延， Si衬底上GaN外延最大的挑战来自于热失配以及晶格失配引入的残余应力，应力会导致外延片发生龟裂、翘曲等一系列问题，因此需要引入AlN或AlGaN层来解决应力调控等问题；另一方面， Si 和GaN 之间的晶格失配也会在外延层中引入大量的缺陷，降低了材料的晶体质量以及器件的性能，因此需要增加Si 衬底GaN外延层的厚度来降低缺陷。