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作者：劉洪
繼消費(fèi)、電信/數(shù)據(jù)通信和較低級(jí)別汽車應(yīng)用后，功率氮化鎵（GaN）的下一波浪潮即將到來，2027年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)20億美元。這是市場(chǎng)研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole Dédevelopement（Yole）全面研究后得出的結(jié)論。
Yole化合物半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)發(fā)布的年度報(bào)告《Power GaN 2022》指出，GaN功率器件正在不同應(yīng)用中滲透，從器件到不同粒度的晶圓都在增長(zhǎng)。
GaN功率器件何以受寵？
GaNFast功率器件能夠以速度較慢的硅基解決方案一半的體積和重量實(shí)現(xiàn)3倍充電速度，且節(jié)省能量高達(dá)40%。
更快
GaN功率器件的集成設(shè)計(jì)使其非常易于使用。通過簡(jiǎn)單的“數(shù)字輸入、功率輸出（digital-in，power-out）”操作，布局和控制非常簡(jiǎn)單。dV/dt轉(zhuǎn)換速率控制和欠壓鎖定等功能確保其實(shí)現(xiàn)首次正確設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，從而縮短上市時(shí)間。
更環(huán)保
由于片芯尺寸小、制造工藝步驟少和集成功能，GaN功率器件的CO2足跡比硅基方案低10倍。在更高級(jí)別組裝中，GaN基充電器的制造和運(yùn)輸CO2排放量只有硅設(shè)計(jì)的一半。
實(shí)現(xiàn)更高效率源于GaN功率器件的高頻工作能力，GaN為單開關(guān)電路準(zhǔn)諧振反激帶來了低電荷（低電容）、低損耗的好處，可以使慢硅典型開關(guān)頻率從50kHz升級(jí)到分立式GaN的200kHz。
GaN功率器件在有源箝位反激（ACF）、臨界導(dǎo)通模式（CrCM）圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）和諧振電路（LLC）等橋式拓?fù)渲袛U(kuò)展了GaN頻率、密度和效率優(yōu)勢(shì)。隨著硬開關(guān)拓?fù)滢D(zhuǎn)向軟開關(guān)拓?fù)?，可以最小化初?jí)FET的一般損耗方程。更新的簡(jiǎn)單公式可以10倍以上的頻率實(shí)現(xiàn)效率。
現(xiàn)在，硅已達(dá)到軟開關(guān)速度極限，GaN功率器件實(shí)現(xiàn)的軟開關(guān)在拓?fù)?、開關(guān)和集成方面消除了速度限制。此外，GaN功率器件表現(xiàn)出平滑、干凈、受控的EMI波形。在500V開關(guān)時(shí)，無過沖/尖峰、振蕩，具有ZVS開啟、零損耗關(guān)閉、同步整流、高頻率，以及小型、低成本濾波器的好處。
GaN功率器件到底有多快呢？GaN是一種新型寬帶隙半導(dǎo)體材料，開關(guān)速度比硅快100倍，性能提高20倍。硅基和分立式GaN很難達(dá)到幾百kHz以上，但GaN器件可以在MHz以上工作。
我們來看看三家代表性公司有什么不同。
IDM全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營(yíng)
英諾賽科致力于第三代半導(dǎo)體硅基GaN（GaN-on-Si）研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，其主要產(chǎn)品涵蓋從低壓到高壓（30V-650V）的GaN功率器件，導(dǎo)通電阻為200mΩ。
英諾賽科在8英寸硅基GaN核心技術(shù)和關(guān)鍵工藝領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了重大突破，建立了高功率密度、高效率、高增益、低成本量產(chǎn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)第三代半導(dǎo)體零的突破。目前，其珠海工廠產(chǎn)能為4000片/月，蘇州工廠為6000片/月，2025年蘇州工廠將實(shí)現(xiàn)70000片/月產(chǎn)能。
英諾賽科的優(yōu)勢(shì)是全產(chǎn)業(yè)鏈模式，8英寸硅基GaN外延使用最新一代Aixtron MOCVD reactor G5+C? 生產(chǎn)，目前已成功生產(chǎn)超過數(shù)萬片8英寸硅基GaN晶圓，每月高壓和低壓器件均已穩(wěn)定量產(chǎn)出貨。
Fabless合作拓展市場(chǎng)
納微半導(dǎo)體是唯一一家將GaN電源與驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)集成到單片IC中的GaN公司。該公司的GaN功率器件在中國(guó)臺(tái)灣新竹臺(tái)積電晶圓廠生產(chǎn)，也是將標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓用作惰性機(jī)械基板，在表面外延生長(zhǎng)一層非常薄的GaN。
自2018年以來，納微將高性能單片集成GaN功率器件導(dǎo)入市場(chǎng)，合作的全球移動(dòng)消費(fèi)頭部前十家客戶中已有八家采用納微芯片量產(chǎn)。在高功率市場(chǎng)，其應(yīng)用涵蓋家電、數(shù)據(jù)中心、太陽能和電動(dòng)汽車（EV），2022年將產(chǎn)生收入，營(yíng)收態(tài)勢(shì)將貫穿至2025年。
在生產(chǎn)工藝方面，包括掩模、蝕刻、擴(kuò)散、濺射等均采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，其硅基GaN生產(chǎn)使用成本效益高、可廣泛使用的250-350納米設(shè)備，制造資本支出非常低。而正在進(jìn)行的可靠性監(jiān)測(cè)（ORM）測(cè)試已達(dá)58億器件小時(shí)數(shù)，失效率（FIT）僅為0.16。
2022年1月，納微半導(dǎo)體成立了全球首家針對(duì)EV的GaN功率芯片設(shè)計(jì)中心，意在進(jìn)一步擴(kuò)展更高功率市場(chǎng)。
自主研發(fā)高度集成
專注高壓電源管理及控制領(lǐng)域高性能器件及電源方案的美國(guó)老牌供應(yīng)商PI成立于1988年，早在2019年就推出了采用GaN晶體管（PowiGaN?）的InnoSwitch?3產(chǎn)品，當(dāng)年出貨達(dá)100萬顆GaN基IC。
利用自研芯片制造工藝，PI完美地將GaN功率器件合封于主控芯片中，在提升產(chǎn)品效率、保障穩(wěn)定性的同時(shí)，大大降低了應(yīng)用導(dǎo)入門檻。
2022年推出的集成750V PowiGaN? GaN開關(guān)的HiperPFS?5系列功率因數(shù)校正（PFC）IC效率高達(dá)98.3%，無需散熱片即可提供高達(dá)240W輸出功率和優(yōu)于0.98的功率因數(shù)，適合高功率USB PD適配器、電視機(jī)、游戲機(jī)、PC一體機(jī)和家電應(yīng)用。
PI有自己的晶圓代工伙伴（包括GaN產(chǎn)品），也在不斷增加產(chǎn)能。其高壓GaN產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)加上以集成方案取代分立控制器+功率器件（而不是生產(chǎn)分立功率器件），節(jié)省空間、時(shí)間和成本，也將使其保持GaN市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。
市場(chǎng)和技術(shù)怎么走？
據(jù)Yole預(yù)測(cè)，到2027年，消費(fèi)電源市場(chǎng)價(jià)值將超過9.156億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為52%。
在消費(fèi)類AC/DC電源的系統(tǒng)電壓與功率要求方面，GaN的“最佳點(diǎn)”（虛線方塊）可能會(huì)改變。具體講，電動(dòng)工具充電器約50-200W，輸入電壓110VAC或230VAC；電視電源約100-500W，輸入電壓110VAC或230VAC；筆記本電腦快充約60-300W，輸入電壓110VAC或230VAC；智能手機(jī)快充約30-120W，輸入電壓110VAC或230VAC。
隨著數(shù)據(jù)通信/電信監(jiān)管變得更加嚴(yán)格，GaN的中期滲透率將會(huì)增加。數(shù)據(jù)中心采用48V負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)以降低功耗和布線量將有利于低壓應(yīng)用GaN，越來越多電源供應(yīng)商將在系統(tǒng)中采用GaN。
為此，Transphorm、EPC、TI、Infineon和GaN Systems都宣布了幾項(xiàng)設(shè)計(jì)導(dǎo)入。因此，預(yù)計(jì)2021-2027年數(shù)據(jù)通信/電信的GaN市場(chǎng)CAGR將達(dá)69%，2027年價(jià)值將超6.178億美元。
雖然滲透率較低，汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器（OBC）將出現(xiàn)下一波增長(zhǎng)。根據(jù)市場(chǎng)反饋，GaN功率器件制造商正在加速其產(chǎn)品的汽車認(rèn)證，與Tier-1和OEM（正在評(píng)估汽車GaN方案）之間的合作越來越多。預(yù)計(jì)到2027年GaN汽車市場(chǎng)將超過2.27億美元，CAGR為99%。
按終端市場(chǎng)劃分，2021至2027年包括功率和D類音頻放大器的消費(fèi)類應(yīng)用將占GaN功率器件市場(chǎng)的48%。
從GaN功率器件長(zhǎng)期發(fā)展看，消費(fèi)快充和低容量高端光伏逆變器應(yīng)用將在短期內(nèi)將推動(dòng)GaN市場(chǎng)，而在中長(zhǎng)期，數(shù)據(jù)中心和EV/HEV的出貨量將增加，后續(xù)還有工業(yè)市場(chǎng)。
供應(yīng)鏈動(dòng)作不斷
2021年以來，新參與者不斷進(jìn)入供應(yīng)鏈。5月，納微在與Live Oak收購(gòu)公司達(dá)成價(jià)值10.4億美元的協(xié)議后，通過一家特殊目的收購(gòu)公司（SPAC）的企業(yè)合并上市，估值為14億美元。
出人意料的是，2022年2月，安森美將2008年從AMI Semiconductor收購(gòu)，并于2020年宣布投資1200萬歐元購(gòu)買新設(shè)備擴(kuò)產(chǎn)，卻又在同年尋求出售的比利時(shí)6英寸晶圓廠賣給Belgan Group。
該工廠擁有0.35μm至2μm低、中、高壓模擬CMOS和BCD技術(shù)，后者將改造成6/8英寸GaN代工廠，目標(biāo)市場(chǎng)是汽車、移動(dòng)、工業(yè)和可再生能源。Belgan新任CEO Alan Zhou認(rèn)為這是“利用Imec（比利時(shí)微電子研究中心）的下一代GaN功率器件創(chuàng)新建立‘GaN Valley’的千載難逢的機(jī)會(huì)”。
2022年3月，Rohm開始生產(chǎn)節(jié)能小型化150V GaN HEMT，并將其注冊(cè)為EcoGaN商標(biāo)。該產(chǎn)品可將柵極耐壓提高到8V，增加電源電路設(shè)計(jì)余量和可靠性，非常適合工業(yè)設(shè)備（如基站和數(shù)據(jù)中心）及物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備電源。
著眼于生態(tài)系統(tǒng)，中國(guó)的GaN玩家投資也越來越多。作為國(guó)內(nèi)GaN龍頭企業(yè)，英諾賽科投資4億多美元，欲在2025年將其8英寸晶圓產(chǎn)能提升至每月70000片。
事實(shí)上，向8英寸平臺(tái)過渡和供應(yīng)鏈整合有更多參與者，正在推動(dòng)器件制造成本降低，尤其是構(gòu)成GaN功率器件成本結(jié)構(gòu)最大部分的外延步驟。而其中一個(gè)大問題是使用內(nèi)生外延和外包外延來實(shí)現(xiàn)未來的高量產(chǎn)？
一些公司意在向產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸拓展，涉足外延材料和芯片設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)，自主掌握GaN外延材料工藝訣竅，根據(jù)既定技術(shù)參數(shù)或客戶指定參數(shù)生產(chǎn)自用并對(duì)外銷售GaN外延材料。而在專業(yè)外延片代工廠視角，只有通過嚴(yán)格把控成本和質(zhì)量，穩(wěn)步擴(kuò)充產(chǎn)線才能贏得客戶的信賴。還有一些晶圓廠擁有外延生產(chǎn)或研發(fā)能力，同時(shí)也會(huì)靈活外包生產(chǎn)一部分外延片。
在代工行業(yè)，目前產(chǎn)能尚足以滿足外延片需求；預(yù)計(jì)2027年總需求量約為87kwpm（Kwpm：每月1000片晶圓），未來將有更多投資開發(fā)下一代GaN功率器件，擴(kuò)大產(chǎn)能來滿足不斷增長(zhǎng)的需求，特別是外延層。
2021年，雖然中美科技戰(zhàn)對(duì)全球半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈造成重大負(fù)面影響，但臺(tái)積電通過將6英寸設(shè)備全部折舊，實(shí)現(xiàn)了成本構(gòu)成高達(dá)47%的設(shè)備折舊。激進(jìn)的折舊政策使其在三年內(nèi)即可折舊整條產(chǎn)線，然后開始嘗試導(dǎo)入8英寸生產(chǎn)，產(chǎn)品也大幅降價(jià)，將一眾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。
寫在最后
截至2022年，已有200多個(gè)GaN功率器件面市。隨著GaN在配件和收納式快充市場(chǎng)的增長(zhǎng)，Yole預(yù)計(jì)2022年GaN Systems和Innoscience的份額將增加，而許多中國(guó)的新玩家已提供針對(duì)快充市場(chǎng)的650V產(chǎn)品。當(dāng)然，在導(dǎo)通電阻方面還有進(jìn)一步提升空間。
從器件更新角度看，意法半導(dǎo)體2021年初發(fā)布的MasterGaN器件內(nèi)部集成GaN柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)GaN開關(guān)，其MasterGaN5已實(shí)現(xiàn)150W功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。2020年3月EPC推出的2152以單芯片驅(qū)動(dòng)器配以eGaN FET半橋功率級(jí)，在LGA封裝中集成了輸入邏輯界面、電平轉(zhuǎn)換電路、自舉充電電路、柵極驅(qū)動(dòng)器的緩沖電路。這兩家公司有可能贏得更多市場(chǎng)份額。
GaN正在推動(dòng)下一波全球電源革命，在快充、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能建筑、家電和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出巨大潛力。
