GaN 出擊

自上世紀(jì)五十年代以來(lái)，以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料取代了笨重的電子管引發(fā)了以集成電路為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。

隨著時(shí)間的流逝，盡管目前業(yè)內(nèi)仍然以 Si 材料作為主流半導(dǎo)體材料，但第二代、第三代甚至是第四代半導(dǎo)體材料都紛沓而至。

這其中又以第三代半導(dǎo)體材料——氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）受到大眾關(guān)注。近段時(shí)間，GaN 方面又有了新進(jìn)展。

本土 GaN 企業(yè)快速發(fā)展

3 月 2 日，英飛凌宣布收購(gòu)氮化鎵公司 GaN Systems，交易總值 8.3 億美元（約 57.3 億人民幣）。根據(jù)公告，英飛凌計(jì)劃以全現(xiàn)金收購(gòu) GaN Systems，資金將來(lái)自現(xiàn)有的流動(dòng)資金。

GaN Systems 是氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體廠商，擁有廣泛的晶體管產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足多行業(yè)的需求，包括消費(fèi)電子、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)電機(jī)和汽車(chē)電子等，目前也向英飛凌的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手供應(yīng) GaN 功率器件。

在第三代半導(dǎo)體走到岔路口的時(shí)候，英飛凌的收購(gòu)給氮化鎵多添了一筆。畢竟，特斯拉宣布下一代驅(qū)動(dòng)單元將減少 75% 碳化硅（SiC）的消息后，帶動(dòng) SiC 相關(guān)企業(yè)震動(dòng)，紛紛擔(dān)心 SiC 的未來(lái)灰暗。

現(xiàn)在，車(chē)用芯片大廠用真金白銀選擇了氮化鎵。

除了英飛凌，羅姆有了新的產(chǎn)品進(jìn)展，羅姆官方也表示，其開(kāi)發(fā)出用于 GaN 半導(dǎo)體的高速控制 IC，能夠減少電源封裝面積 86%，可把通過(guò)集成電路切換電流開(kāi)關(guān)時(shí)的時(shí)間縮短到了 2 納秒（僅為原來(lái)的四分之一），是業(yè)界最快的。使用這種控制 IC，GaN 半導(dǎo)體就能最大限度地發(fā)揮出比現(xiàn)有的硅 (Si) 半導(dǎo)體等更好的高速開(kāi)關(guān)性能，還能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外圍部件的小型化。

我國(guó) 2023 年 1 月至 3 月有多個(gè) GaN 項(xiàng)目也迎來(lái)最新進(jìn)展，包括百思特達(dá)半導(dǎo)體 GaN 項(xiàng)目、博康 (嘉興) 半導(dǎo)體 GaN 項(xiàng)目、仙羋智造新型智能功率模組 (IPM) 研發(fā)生產(chǎn)基地項(xiàng)目、中國(guó)電科射頻集成電路產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目、東科半導(dǎo)體超高頻 GaN 電源管理芯片項(xiàng)目等。

近年來(lái)，我國(guó) GaN 發(fā)展迅速。GaN 產(chǎn)業(yè)鏈按環(huán)節(jié)分為 Si 襯底（或 GaN 單晶襯底、SiC、藍(lán)寶石）、GaN 材料外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造、封測(cè)以及應(yīng)用。各個(gè)環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)均有企業(yè)涉足，如在射頻領(lǐng)域，SiC 襯底生產(chǎn)商有天科合達(dá)、山東天岳等，GaN 襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導(dǎo)體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時(shí)涉足多環(huán)節(jié)，力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

在中國(guó) GaN 生態(tài)系統(tǒng)中較為出眾的兩家是英諾賽科和廈門(mén)三安集成電路。

目前在全球 GaN 市場(chǎng)上，英諾賽科排名前三，并采用 IDM 模式。擁有兩座 8 英寸硅基 GaN 生產(chǎn)基地，采用最先進(jìn)的 8 英寸生產(chǎn)工藝，是全球產(chǎn)能最高的 GaN 器件廠商。其中珠海工廠的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到 4k 片/月，蘇州工廠達(dá)到 6k 片/月。

國(guó)內(nèi) LED 龍頭「三安光電」在 GaN 領(lǐng)域有一定技術(shù)儲(chǔ)備。三安光電是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的 LED 外延片、芯片企業(yè)。2014 年，該公司投資建設(shè) GaN 高功率半導(dǎo)體項(xiàng)目；2018 年，在福建泉州斥資 333 億元投資Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料、LED 外延、芯片、微波集成電路、光通訊、射頻濾波器等產(chǎn)業(yè)。在 GaN 領(lǐng)域，三安光電同樣集中于產(chǎn)業(yè)鏈中游——器件模組的研究。其布局的器件類(lèi)型主要包括可見(jiàn)光 LED、紫外 LED、Micro／Mini LED 和 GaN 基 FET。三安集成在去年 3 月表示硅基 GaN 完成約 60 家客戶(hù)工程送樣及系統(tǒng)驗(yàn)證，24 家進(jìn)入量產(chǎn)階段。

中國(guó)本土廠商在 GaN 晶圓廠建設(shè)的腳步不斷提速，在 GaN 的產(chǎn)能方面，中國(guó)已有應(yīng)用在電力電子和射頻領(lǐng)域的 GaN 晶圓產(chǎn)線各 10 條，多家中國(guó)本土企業(yè)已擁有了一定的 GaN 晶圓制造水平。

融資方面，GaN 行業(yè)也發(fā)生了多起融資事件。例如，英諾賽科去年完成近 30 億元 D 輪融資；無(wú)錫吳越半導(dǎo)體有限公司獲數(shù)億元戰(zhàn)略融資，本輪融資將主要用于公司 GaN 自支撐襯底的研發(fā)與擴(kuò)產(chǎn)；晶湛半導(dǎo)體也完成了數(shù)億元 B+輪戰(zhàn)略融資，資金將主要用于晶湛半導(dǎo)體總部和研發(fā)中心的建設(shè)，項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后將建成 GaN 電力電子、射頻電子以及微顯示材料研發(fā)生產(chǎn)基地。

GaN 產(chǎn)業(yè)進(jìn)度

以 GaN 技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷來(lái)看，2012 年，業(yè)界第一顆 600V 的 GaN 芯片就通過(guò)了 JEDEC，2018 年，650V 功率 GaN IC 面市，2019 年 650V 功率 GaN 市場(chǎng)被打開(kāi)。

2020 年是 GaN 迎來(lái)改變的一年，這一年蘋(píng)果宣布不再標(biāo)配充電器，這讓消費(fèi)者開(kāi)始轉(zhuǎn)向第三方充電器。同時(shí)，小米帶著研發(fā)的 65W GaN 充電器開(kāi)始在消費(fèi)市場(chǎng)中大放異彩。

這是 GaN 迎來(lái)的第一個(gè)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。更大的禁帶寬度更大，更高的臨界擊穿電場(chǎng)，更高的熱導(dǎo)率更高，更高的飽和電子速率和電子遷移率等。GaN 在非常高的電壓、溫度和開(kāi)關(guān)下，具有更加優(yōu)越的性能。比較三星的硅基和 GaN 基充電器有助于證明這一點(diǎn)：三星的 45W Si 快速充電器的功率密度為 0.55W/cm3；而其 45W 基于 GaN 的充電器擁有 0.76w/cm3的功率密度，占地面積縮小了近 30%。

在過(guò)去的一段時(shí)間里，包括蘋(píng)果、三星在內(nèi)的頭部手機(jī)廠商都在自己的充電器中加入了 GaN。此外，OPPO、聯(lián)想、安克創(chuàng)新等品牌也紛紛推出了多款 GaN 功率芯片充電器，英諾賽科更將 GaN 技術(shù)直接引入手機(jī)主板。

消費(fèi)者市場(chǎng)已經(jīng)流行起來(lái)的 GaN 充電器已經(jīng)從 30W、45W、60W 升級(jí)到 100W、120W 甚至 200W 以上。

除了消費(fèi)領(lǐng)域的快充，汽車(chē)充電也是 GaN 的藍(lán)海市場(chǎng)。利用 GaN 可以將汽車(chē)的 OBC、DC-DC 做得更小更輕，從而有空間放入更多的鋰電池，提升整車(chē)?yán)m(xù)航里程。

安世半導(dǎo)體與聯(lián)合汽車(chē)電子公司 (UAES) 共同打造基于 GaN 工藝的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，就 UAES 電動(dòng)車(chē)的車(chē)載充電器、高壓 DC-DC 直流轉(zhuǎn)換器等項(xiàng)目展開(kāi)合作。

納微半導(dǎo)體成立全球首個(gè)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 設(shè)計(jì)中心，并研制出專(zhuān)為 EV 定制的 GaNFast 氮化綜功率芯片，可提升 3 倍充電速度，節(jié)能高達(dá) 70%，同時(shí)增加 5% 的里程或降低 5% 的電池消耗。

此外，目前 GaN 功率器件成本也在下降。早期，由于 GaN 與傳統(tǒng)半導(dǎo)體 Si 特性的不同，在開(kāi)發(fā)初期遇到了許多瓶頸。直到近期才應(yīng)用 GaN-on-Si 基板大幅降低了制作成本，成熟的生態(tài)鏈也讓商品價(jià)格逐漸降低。目前 GaN 功率器件與硅基器件的差異已經(jīng)從 5-6 倍降到非常接近的水平。

中泰證券分析師認(rèn)為，對(duì)于成本問(wèn)題，GaN 在光電領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，例如 LED、激光器等產(chǎn)品，其在充電器、充電樁等電力電子領(lǐng)域仍屬高速擴(kuò)張階段，未來(lái)隨著行業(yè)大規(guī)模商用，成本有望進(jìn)一步下降。

不過(guò)，雖然 GaN 發(fā)展迅速，但仍然有其困境。例如 GaN 的損傷容易影響元件效果，且 GaN-on-Si 的「異質(zhì)磊晶」技術(shù)讓 GaN 的品質(zhì)仍然有所疑慮，因此 GaN 仍然以消費(fèi)性電子產(chǎn)品為主，至于高階車(chē)廠會(huì)偏向選擇 SiC 元件，因?yàn)?SiC 在可靠性、更高電壓和散熱度上更具有優(yōu)勢(shì)。

此外，目前 GaN 的主要困難還集中在襯底和外延環(huán)節(jié)。由于 GaN 高溫下會(huì)分解，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要靠純氣體反應(yīng)合成，但是氮?dú)庑再|(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬，兩者反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、速度慢，產(chǎn)生的副產(chǎn)物多。因此，生產(chǎn) GaN 對(duì)于設(shè)備的要求非常苛刻，技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)能低。

GaN 還存在良率太低導(dǎo)致難以大范圍應(yīng)用的問(wèn)題。目前部分 GaN 廠商宣稱(chēng)已達(dá)到九成生產(chǎn)良率，但被客戶(hù)或競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手私下檢測(cè)時(shí)，產(chǎn)品良率僅五成。因此，就整個(gè) GaN 的供應(yīng)鏈來(lái)說(shuō)，各供應(yīng)商產(chǎn)品良莠不齊明顯，短期要全面發(fā)展起來(lái)仍有難度。

總結(jié)

必須強(qiáng)調(diào)的是，所謂「第一代」、「第二代」和「第三代」半導(dǎo)體并非替代關(guān)系，下一代也不是全面領(lǐng)先于上一代。并且，雖然 GaN 和 SiC 同為第三代功率半導(dǎo)體的絕代雙驕，但其應(yīng)用場(chǎng)景有所區(qū)分。

一般來(lái)講，SiC 側(cè)重于高壓應(yīng)用，GaN 側(cè)重于高頻。在以便攜性為核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的充電器市場(chǎng)，GaN 的高頻特性可以更有效的提升產(chǎn)品功率密度，因此是更優(yōu)的選擇。兩大半導(dǎo)體材料最后究竟市場(chǎng)需求如何，目前尚未分出勝負(fù)。

不過(guò) GaN 開(kāi)始進(jìn)擊了。