行業(yè)動態(tài)
隨著新能源汽車的需求增加，市場對碳化硅的關(guān)注度逐漸提高，而與碳化硅同為寬禁帶半導(dǎo)體的氮化鎵也同樣受到企業(yè)青睞。
2024年1月，瑞薩電子收購估值約為3.5億美元的全球氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體供應(yīng)商Transphorm。在更早些時(shí)候，功率半導(dǎo)體頭部企業(yè)英飛凌斥資8.3億美元收購氮化鎵企業(yè)GaN Systems，企業(yè)的種種舉措，搭建起了氮化鎵新一輪的競爭要地。
功率器件將成為新的增長點(diǎn)
根據(jù)氮化鎵延長層所生長的襯底（碳化硅襯底、硅襯底、藍(lán)寶石襯底）不同，氮化鎵主要有三大應(yīng)用領(lǐng)域。碳化硅襯底+氮化鎵外延層可制成射頻器件，應(yīng)用于衛(wèi)星通信、5G等領(lǐng)域；硅襯底+氮化鎵外延層所制成的功率器件則可應(yīng)用在工業(yè)、新能源汽車以及數(shù)據(jù)中心當(dāng)中；藍(lán)寶石襯底+氮化鎵外延層可制成光電器件，被應(yīng)用于傳統(tǒng)LED照明、MiniLED和MicroLED領(lǐng)域。
數(shù)據(jù)顯示，在2021年時(shí)，氮化鎵光電器件市場份額占比約為65%；其次為射頻器件，占比約為30%。而功率器件則受制于其產(chǎn)品可靠性、設(shè)計(jì)工藝以及后續(xù)測試等多個環(huán)節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r，再加上驗(yàn)證周期較長，其市場規(guī)模僅有約為1.3億美元。然而，功率器件的增速卻被產(chǎn)業(yè)界所看好，有機(jī)構(gòu)預(yù)測，氮化鎵功率器件的市場規(guī)模在2028年有望達(dá)到20.4億美元。
這一態(tài)度的轉(zhuǎn)變或許能夠從Cree公司的調(diào)整中得以感知。成立于1987年的Cree曾是LED的知名品牌之一，主要產(chǎn)品有LED芯片和封裝器件。2017年，由于公司LED和照明業(yè)務(wù)部門的利潤下降，負(fù)責(zé)碳化硅、氮化鎵等材料制造業(yè)務(wù)的Wolfspeed部門增速較高，使得Cree調(diào)整公司戰(zhàn)略，并于2020年將公司LED業(yè)務(wù)打包出售給了SMART Global Holding。2021年底，Cree完成了從照明業(yè)務(wù)到半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型，同時(shí)正式更名為Wolfspeed，專注于功率器件和材料業(yè)務(wù)。
氮化鎵“上車”之路
具體到氮化鎵器件的應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車也為氮化鎵帶來不小的增量。預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2028年，氮化鎵功率器件在新能源汽車中的市場規(guī)模將超過5.04億美元，年復(fù)合增長率將達(dá)到110%。
汽車在氮化鎵功率器件中的市場占比正在增大（圖片來源：YOLE）
同為寬禁帶半導(dǎo)體，氮化鎵的材料特性與碳化硅類似，憑借更高的擊穿電壓和開關(guān)頻率，以及更低的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通損耗，氮化鎵和碳化硅逐漸成為了汽車中替代傳統(tǒng)硅基器件的新型方案。
在GaN Systems被英飛凌收購之前，該公司曾接受寶馬汽車的投資，并且在高性能車載標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵功率器件方面簽署了全面產(chǎn)能協(xié)議。早在PCIM Europe 2020上，GaN Systems首席執(zhí)行官Jim Witham就介紹了All-GaN（全氮化鎵）汽車，以展示氮化鎵在汽車?yán)锏亩喾N應(yīng)用場景，到了PCIM Europe 2023，Jim Witham宣布了向汽車品牌Canoo提供氮化鎵車載電源（OBC）。宜普電源轉(zhuǎn)換公司首席執(zhí)行官Alex Lidow表示，氮化鎵技術(shù)在以下四個方面推動車載系統(tǒng)的發(fā)展，分別是：車載信息娛樂系統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器、無刷直流（BLDC）汽車電機(jī)、自主導(dǎo)航光檢測和測距（即激光雷達(dá)）以及48V輕混動力（MHEV）汽車。
GaN Syestems為Canoo提供的氮化鎵車載電源（圖片來源：GaN Systems）
同時(shí)，氮化鎵與碳化硅在新能源汽車上的用途也有所互補(bǔ)。英飛凌公開資料顯示，氮化鎵與碳化硅雖然在性能上有相近之處，但是優(yōu)勢領(lǐng)域有所差異。碳化硅側(cè)重于高壓應(yīng)用，氮化鎵則側(cè)重于高頻。因此，兩種材料的“上車”路徑略有不同，碳化硅隨著400V以及800V高壓平臺的逐漸普及，其高耐壓性為整車動力系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢得以體現(xiàn)；而氮化鎵的高頻性能可以轉(zhuǎn)換為無線充電的優(yōu)勢，Jim Witham表示，座艙內(nèi)的無線充電功能允許對多部手機(jī)進(jìn)行高功率、快速充電，且對手機(jī)擺放位置要求不高，充電過程也不受異物干擾，這些都能提升車主在座艙內(nèi)的駕駛體驗(yàn)。
垂直整合成為重要目標(biāo)
氮化鎵正在被更多功率半導(dǎo)體公司重視，其生產(chǎn)制作流程涵蓋了襯底、外延層生長、工藝設(shè)計(jì)、測試等多道工序，因此，對制造鏈條的補(bǔ)足也成為了許多公司關(guān)注的目標(biāo)。
據(jù)了解，瑞薩電子所收購的Transphorm是少數(shù)擁有生產(chǎn)氮化鎵晶圓能力的公司，并且外延片已通過車規(guī)級品質(zhì)體系認(rèn)證。相比在碳化硅領(lǐng)域還需要依賴與Wolfspeed的十年協(xié)議獲取晶圓，瑞薩電子率先在氮化鎵業(yè)務(wù)補(bǔ)足了晶圓和襯底供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。另據(jù)Transphorm介紹，其電力電子技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了“99%的效率提升、50%功率密度的提升并降低了20%的系統(tǒng)成本”。
Transphorm CEO Primit Parikh（左）及瑞薩電子CEO柴田英利（右）（圖片來源：瑞薩電子）
與瑞薩電子不同，英飛凌具備內(nèi)部生產(chǎn)氮化鎵的能力。GaN Systems屬于Fabless模式，專注氮化鎵的研發(fā)應(yīng)用與創(chuàng)新，因此，英飛凌收購GaN Systems的側(cè)重點(diǎn)則在于強(qiáng)化工藝設(shè)計(jì)能力以及豐富產(chǎn)品線。數(shù)據(jù)顯示，完成收購后，英飛凌在氮化鎵功率器件中的市場占有率將從約4%提升至約15%，為全球第四。
早在2018年，意法半導(dǎo)體與法國CEA Tech下屬研究所Leti進(jìn)行合作，共同研制硅基氮化鎵功率器件制造技術(shù)，重點(diǎn)是創(chuàng)新功率器件二極管和晶體管的架構(gòu)。2020年，意法半導(dǎo)體與臺積電合作，加速開發(fā)氮化鎵工藝技術(shù)。意法半導(dǎo)體前汽車與離散事業(yè)部總裁Marco Monti表示:“（與臺積電）合作補(bǔ)充了我們與CEA Leti開展的有關(guān)功率GaN的現(xiàn)有活動，氮化鎵代表了功率電子產(chǎn)品和工藝技術(shù)的下一個重大創(chuàng)新。”
回顧幾家企業(yè)的收并購與合作事件，有機(jī)構(gòu)推測，未來IDM模式將會成為氮化鎵功率器件生態(tài)的主導(dǎo)力量——與碳化硅行業(yè)類似，具有垂直整合能力、并能保障自身生產(chǎn)鏈條完整性的企業(yè)，會在競爭中具有更大優(yōu)勢。
來源：中國電子報(bào)
