作為第三代半導(dǎo)體材料新星之一的氮化鎵（GaN），正在迅速燃爆市場(chǎng)。臺(tái)積電 2 月 21 日宣布，與意法半導(dǎo)體合作加速市場(chǎng)采用氮化鎵產(chǎn)品。加速氮化鎵（GaN）制程技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場(chǎng)。
PK 對(duì)手的結(jié)果都是 KO
近幾年，氮化鎵作為一個(gè)高頻詞匯進(jìn)入了人們的視野中。
氮化鎵自出生以來(lái)南征北戰(zhàn)，無(wú)論是 PK 碳化硅（SiC）還是吊打砷化鎵（GaAs），作為第三代半導(dǎo)體材料的 GaN 優(yōu)勢(shì)凸顯。
①由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN 器件可在 200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高。
②其較大的禁帶寬度和絕緣破壞電場(chǎng)，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件整體的能效。
?、垭娮语柡退俣瓤欤约拜^高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。
?、芟噍^于硅基元件，氮化鎵元件切換速度增快達(dá) 10 倍，同時(shí)可以在更高的最高溫度下運(yùn)作。
這些強(qiáng)大的材料本質(zhì)特性讓氮化鎵廣泛適用于具備 100 伏與 650 伏兩種電壓范疇之持續(xù)成長(zhǎng)的汽車(chē)、工業(yè)、電信、以及特定消費(fèi)性電子應(yīng)用產(chǎn)品。
GaN 在成本控制方面顯示出了更強(qiáng)的潛力。目前主流的 GaN 技術(shù)廠商都在研發(fā)以 Si 為襯底的 GaN 的器件，來(lái)替代昂貴的 SiC 襯底。
由于 GaN 器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的 Si 半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。
臺(tái)積電+意法共同合作各有用意
目前氮化鎵因?yàn)樾∶壮潆娖鞫艿绞袌?chǎng)熱烈的炒作，就在近日，臺(tái)積電宣布將與意法半導(dǎo)體合作加速市場(chǎng)采用 GaN 產(chǎn)品，而意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候?qū)⑹着鷺悠方唤o主要的客戶。
GaN 之前一直沒(méi)能普及，與其高高在上的價(jià)格不無(wú)關(guān)系，而現(xiàn)在，隨著市場(chǎng)需求量增大、大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，以及工藝技術(shù)的革新等原因，GaN 器件的價(jià)格有望走向平民化，這對(duì) GaN 器件的普及也鋪平了道路。
而功率氮化鎵及氮化鎵積體電路技術(shù)將協(xié)助消費(fèi)型與商用型汽車(chē)朝向電氣化的大趨勢(shì)加速前進(jìn)。
具體而言，相較于硅技術(shù)，功率氮化鎵及氮化鎵積體電路產(chǎn)品，在相同制程上具備更優(yōu)異的效益，能夠協(xié)助意法半導(dǎo)體提供中功率與高功率應(yīng)用所需的解決方案，包括應(yīng)用于油電混合車(chē)的轉(zhuǎn)換器與充電器。
具相較于硅技術(shù)，功率氮化鎵及氮化鎵集成電路產(chǎn)品，在相同制程上具備更優(yōu)異的效益，能夠協(xié)助意法半導(dǎo)體提供中功率與高功率應(yīng)用所需的解決方案，包括應(yīng)用于油電混合車(chē)的轉(zhuǎn)換器與充電器。
此項(xiàng)合作補(bǔ)足了意法半導(dǎo)體在法國(guó)圖爾地區(qū)以及與電子暨資訊技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作所從事的既有功率氮化鎵活動(dòng)。對(duì)于功率、智慧型功率電子、以及制程技術(shù)而言，氮化鎵代表下一個(gè)重大的創(chuàng)新。
臺(tái)積電期待和意法半導(dǎo)體合作把氮化鎵功率電子的應(yīng)用帶進(jìn)工業(yè)與汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換。
而臺(tái)積電領(lǐng)先的氮化鎵制造專(zhuān)業(yè)結(jié)合意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與汽車(chē)級(jí)驗(yàn)證能力，將大幅提升節(jié)能效益，支援工業(yè)及汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換之應(yīng)用，讓它們更環(huán)保，并且協(xié)助加速汽車(chē)電氣化。
臺(tái)積電氮化鎵制造專(zhuān)業(yè)結(jié)合意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與汽車(chē)級(jí)驗(yàn)證能力，將大幅提升節(jié)能效益，支援工業(yè)及汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換之應(yīng)用，讓它們更環(huán)保，并且協(xié)助加速汽車(chē)電氣化。
對(duì)未來(lái)汽車(chē)發(fā)展注入新動(dòng)能
作為一種新型材料，GaN 具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。
作為第三代功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要成員，GaN 憑借其高速開(kāi)關(guān)能力、精簡(jiǎn)的外圍電路以及更低功率損耗等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在 12V 甚至未來(lái) 48V 的汽車(chē)電池 DC-DC 轉(zhuǎn)換器以及 OBC 等應(yīng)用上將大有用武之地。
GaN 系統(tǒng)的功率電晶體產(chǎn)品為工程師打造當(dāng)今智能汽車(chē)系統(tǒng)所需的新功率電子件提供了新的空間。
隨著電動(dòng)駕駛車(chē)輛的出現(xiàn)與普及，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)架構(gòu)將大幅擴(kuò)充，數(shù)據(jù)中心能耗成本將成為諸多駕駛員的一大難題。若提升其功率轉(zhuǎn)換效率，勢(shì)必將節(jié)省數(shù)十億美元。
隨著 GaN 產(chǎn)品在消費(fèi)電子滲透率提升和 5G 基建剛需的帶動(dòng)下，成本下降，應(yīng)用場(chǎng)景將進(jìn)一步擴(kuò)大到新能源汽車(chē)、激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)中心等，從而刺激功率半導(dǎo)體市場(chǎng)繁榮。
氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模將迅速提升
調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole 認(rèn)為，2022 年氮化鎵功率器件的市場(chǎng)規(guī)模為 4.62 億美元。而在 5G 基站等建設(shè)的拉動(dòng)下，到 2024 年氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模有望突破 20 億美元。
在這些廣闊前景的召喚下，GaN 產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用等均將受益。
2019 年 GaN 功率器件國(guó)際市場(chǎng)規(guī)模中，電源設(shè)備領(lǐng)域占比 55%，其次是激光雷達(dá)，占比達(dá)到 26%。其他下游應(yīng)用如包絡(luò)跟蹤、無(wú)線電源等。
2019 年，GaN 功率電子器件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模約為 1.2 億元,尚處于應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展初期，但未來(lái)市場(chǎng)空間有望持賣(mài)拓展，在市場(chǎng)樂(lè)觀項(xiàng)期下，2028 年 GaN 功率電子市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到 4.24 億美元。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì) 2022 年全球氮化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 64 億元，2017 至 2022 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 34％。
目前積報(bào)推廣 GaN 技術(shù)的公司已經(jīng)目熟能詳，例如宜普電源專(zhuān)換公司、GaN Systems、Navitas、英飛凌和安森美半導(dǎo)體。
如今，越來(lái)越多的公司正在進(jìn)入該市場(chǎng)，有的明刀明槍雄心勃渤，有的則被其專(zhuān)利布局暴露了意圖。
擁有強(qiáng)大技術(shù)和專(zhuān)利布局的核心廠商們已經(jīng)為未來(lái)幾年主導(dǎo)功率 GaN 市場(chǎng)作好了準(zhǔn)備。
國(guó)內(nèi)企業(yè)也在積極布局
2015 年 5 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)制造 2025》。其中，4 次提到了以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體功率器件。
到目前為止，國(guó)內(nèi)已有四條 4/6 英寸 SiC 生產(chǎn) / 中試線和三條 GaN 生產(chǎn) / 中試線相繼投入使用，并在建多個(gè)與第三代半導(dǎo)體相關(guān)的研發(fā)中試平臺(tái)。
在 GaN 襯底方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)小批量生產(chǎn) 2 英寸襯底，具備 4 英寸襯底生產(chǎn)能力，并開(kāi)發(fā)出 6 英寸襯底樣品。
三安光電、聞泰科技、富滿電子等標(biāo)的受到重點(diǎn)關(guān)注。其中，今年 2 月 3 日，三安光電還在投資者交流平臺(tái)上表示，公司目前氮化鎵產(chǎn)能約 2000 片每月，產(chǎn)能還在增加。
關(guān)于氮化鎵方面，三安光電表示，目前，公司氮化鎵產(chǎn)能約 2000 片每月，產(chǎn)能還在增加。
三安集成的氮化鎵 E-HEMT 技術(shù)的目標(biāo)是服務(wù)于消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用，如適配器 / 充電器，電信 / 服務(wù)器 smp，無(wú)線電源，車(chē)載充電器（OBC）和成本有效的解決方案。其中，氮化鎵業(yè)務(wù)板塊的產(chǎn)能規(guī)劃包括年產(chǎn)氮化鎵芯 769.20 萬(wàn)片、PSS 襯底年產(chǎn) 923.40 萬(wàn)片、大功率激光器年產(chǎn) 141.80 萬(wàn)顆。
國(guó)內(nèi)氮化鎵的發(fā)展難題
?、賹捊麕Чβ拾雽?dǎo)體面臨的技術(shù)難題很多，如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。
?、?G 移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車(chē)等是寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最具有爆發(fā)性增長(zhǎng)潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度上與國(guó)外的差距還比較明顯，落后程度更甚于技術(shù)層面的落后程度。
?、垭m然目前我國(guó)在一些 GaN 領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性突破，但是與國(guó)際領(lǐng)先水平相比，我國(guó)在第三代半導(dǎo)體襯底、外延材料、器件的整體技術(shù)水平落后 3 年左右。
結(jié)尾
隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)功能的多樣性需求不斷增強(qiáng)，消費(fèi)者對(duì)于快充技術(shù)的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈，氮化鎵技術(shù)能夠很好的滿足消費(fèi)者的使用需求和消費(fèi)體驗(yàn)，這也預(yù)示著今年或?qū)⒊蔀榈壆a(chǎn)品爆發(fā)的一年。