引言
氮化镓（GaN）技术的出现显著改变了电力电子领域的格局。本文探讨GaN技术从诞生到当前市场状况的发展历程，重点介绍其技术优势及在不同电压领域的市场渗透情况[1]。
GaN技术在电力电子领域的革新
随着行业对功率密度和效率要求的不断提高，硅基电力电子器件的局限性日益明显。传统的硅基设计使工程师在系统性能、效率和体积之间难以取得平衡。当提高开关频率以实现更高的功率密度和更小的器件尺寸时，硅基系统会产生更多的功率损耗和热量散失，导致系统效率降低。相反，要实现高效率，硅基器件需要降低开关频率，这又会导致元件体积增大和功率密度降低。
GaN作为硅的替代方案具有显著优势，其能隙达到3.4电子伏特(eV)，高于碳化硅(SiC)的3.2 eV和硅的1.12 eV。较高的能隙加上优异的电子迁移率和较低的导通电阻，使GaN器件能够在高频和高温环境下实现更高的功率转换效率。此外，GaN优良的热性能使得系统体积可以比硅基方案显著缩小。
图1展示了过去二十年GaN竞争格局的发展，显示了2008年至2023年间不同类型公司进入市场的增长情况。
图2描绘了2008年至2023年全球GaN功率半导体市场中新进入者的公司类型占比，展示了established corporations（成熟企业）和初创公司的分布情况。
市场发展与商业成功
GaN技术的商业化历程始于2008年，当时International Rectifiers (IR)宣布成功开发出GaN功率晶体管原型。随后在2010年初推出首款GaN产品iP2010。同年，Efficient Power Conversion (EPC)公司推出了面向低压应用（40-200 V）的增强型GaN-on-Si功率晶体管，相比当时的硅基MOSFET展现出更优越的开关性能。
EPC宣布其晶体管可以在传统CMOS代工厂进行生产，且仅需对制造工艺进行少量修改，这一优势促使更多竞争者进入GaN功率半导体领域。
图3显示了2023年全球GaN功率半导体市场中不同电压产品组合的百分比分布。
电压领域与市场扩张
GaN市场最初主要针对需要650V产品的高频应用，这些应用中GaN的技术成熟度足以与硅形成有效竞争。近期发展显示，一些公司基于GaN-on-Si横向结构，开始扩展到更高电压领域，包括750V、900V、1200V和1250V等级。
图4展示了2021年至2023年间全球前五大公司在不同电压领域的产品发布情况。
未来发展与市场增长
自2019年以来，GaN技术市场进入快速增长阶段，这得益于其在功率效率、热性能和体积减小方面的优势得到充分验证。低于650V的产品市场继续保持增长势头，特别是在音频放大器、无线充电器、电子战和医疗设备等应用领域。
高于650V产品的开发代表着GaN技术的新发展方向，尽管这一领域面临着来自碳化硅(SiC)器件的竞争。要在这一更高功率领域取得成功，市场参与者需要持续投入研发力量，以确立GaN在工业应用中的价值。
过去十年间，超过20家企业（包括初创公司和成熟企业）进入GaN功率半导体领域。这种多元化参与推动了技术进步和客户合作，促进了设计应用和市场采用的增加。
参考文献
[1] M. Di Paolo Emilio (ed.), "GaN Market," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 9, pp. 361-364.
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