GaN，新拐點?

09月18日 18:11 新浪網 news-china-auto-hilite

這一次是氮化镓。

作為第三代半導體材料的典型代表，在過去多年的發展歷程中，氮化镓似乎一直都被碳化矽穩壓一頭。而這次，氮化镓率先實現12英吋晶圓量產的消息傳來，備受行業矚目。

一、GaN，迎來技術拐點

1. 英飛淩率先推出全球首款12英吋GaN晶圓

近日，英飛淩宣佈已成功開發出全球首款12英吋（300mm）功率氮化镓（GaN）晶圓。

作為全球首家在現有可擴展的大批量生產環境中掌握這一突破性技術的公司，英飛淩這一突破將極大地推動氮化镓功率半導體市場的發展。

12英吋晶圓與8英吋晶圓相比，每片能多生產2.3倍數量的芯片，技術和效率顯著提升。

英飛淩表示，12英吋氮化镓技術的一大優勢是可以利用現有的12英吋矽晶圓製造設備，這是因為氮化镓和矽的製造工藝非常相似。英飛淩現有的大規模12英吋矽晶圓生產線是試點可靠氮化镓技術的理想選擇，有利於加快實施速度並有效利用資金。

全面規模化量產12英吋氮化镓生產將有助於氮化镓在導通電阻水平上與矽的成本平價，這意味著同類矽和氮化镓產品的成本持平。

2. 信越化學推出QST襯底，GaN新突破

就在英飛淩宣佈12英吋GaN晶圓前幾天，信越化學宣佈實現了GaN專用生長襯底300mm QST襯底，並開始發貨樣品。

據悉，QST襯底是美國Qromis公司開發的專門用於GaN生長的復合材料襯底，信越化學於2019年獲得許可。到目前為止，信越化學已經銷售了直徑150mm和200mm的QST襯底，以及QST外延襯底上的GaN。如今成功開發出300mm QST基板，在擴大150mm和200mm QST基板設施的同時，還將致力於300mm QST基板的量產。

從GaN生產上看，儘管GaN器件製造商可以使用現有的Si生產線來生產GaN，但由於缺乏適合GaN生長的大直徑基板，因此無法從增加材料直徑中獲益。

300mmQST襯底的一項關鍵突破在於具有與GaN相同的熱膨脹係數，克服了GaN與通常用於製造GaN功率器件的Si晶圓之間的巨大熱膨脹係數（CTE）失配問題。這使得可以外延生長厚度為300mm的高質量GaN，而不會出現「翹曲」或「裂紋」。

目前，有客戶已經開始使用QST襯底和QST外延襯底上的GaN開發功率器件、高頻器件和LED，並已進入數據中心電源的開發階段。

此外，全球還有英特爾、晶湛半導體、IVWorks等多家企業也曾宣佈實現了12英吋GaN突破，在器件、外延、生產設施等方面實現技術突破。

二、GaN市場，迅速拓圍

氮化镓，作為第三代半導體材料的佼佼者，實際上早已在LED照明和激光顯示等顯示技術領域佔據重要地位。近年來，憑藉其卓越的擊穿電場、熱導率、電子飽和率和耐輻射性等特性，氮化镓在半導體功率器件領域的應用前景愈發受到行業關注。

憑藉上述特性優勢，氮化镓技術在智能設備快充領域率先得到廣泛應用。

早在2014年，世界上最早的氮化镓充電芯片出現。十年來，氮化镓充電器已逐漸成為更多人的選擇。

英諾賽科招股書顯示，氮化镓功率半導體市場將實現指數級增長，從2024年的32.28億元人民幣增長至2028年的501.42億元人民幣，預計復合年增長率達到98.5%。特別是在消費電子領域，氮化镓功率半導體市場的增長預期尤為顯著，預計從2024年的24.66億元人民幣增長至2028年的211.33億元人民幣，復合年增長率為71.1%。

全球氮化镓功率半導體市場規模（資料來源：英諾賽科招股書）

在主導消費電子快充市場之後，氮化镓功率器件在數據中心、汽車和儲能領域也已經逐步開始滲透，迎來市場的拐點與轉型。

1. GaN，上車進展？

隨著新能源汽車和自動駕駛技術的發展，對高效能、高密度的功率電子器件的需求日益增長。GaN作為一種新興的半導體材料，因其優異的電子特性和潛在的系統成本優勢，在汽車市場中展現出巨大的商業潛力。

首先，GaN功率器件可以用於電動汽車的功率電子變流器中，例如充電器和轉換器。汽車行業熱衷於將GaN電源IC用於逆變器模塊，因為它比SiC更便宜，也熱衷於將GaN電源IC用於車載電池充電器（OBC）和從電池到車輛中不同應用的各種DC-DC轉換。

與傳統的矽器件相比，GaN器件可以實現更緊湊的設計和更高的功率密度，這對於電動汽車來說意味著更輕量化的動力系統和更高的能效。

除了在動力系統中的應用，GaN在汽車激光雷達領域也展現出巨大的潛力。激光雷達是自動駕駛技術的關鍵組成部分，GaN器件的高效率和緊湊尺寸使其成為激光雷達系統的理想選擇。

與早期激光雷達產品相比，GaN器件的開關速度大幅提升，脈衝寬度縮小至原來的1/5。採用窄脈衝、大峰值電流、高功率的氮化镓可以為激光雷達提供更優越的性能支持。

同時，GaN技術也可以應用於電動汽車充電樁中，用於提供高效、高功率密度的電能轉換。GaN功率器件可以實現充電樁的小型化設計和高效率的電能傳輸，從而提升充電效率和用戶體驗。

在車載充電器、DC/DC轉換器以及車載激光雷達等領域的應用「漸入佳境」之後，氮化镓能否上到新能源汽車的主逆變器之中呢？

根據研究機構的統計，一輛新能源汽車當中氮化镓器件的總潛在市場（TAM）超過250美元，其中車載充電器近50美元，DC/DC轉換器約15億美元，而主驅動應用接近200美元。如果能夠有所突破，氮化镓將獲得更大的發展空間。

在2019東京車展上，豐田汽車曾展出一款與他方共同研發的all-GaN概念車。據介紹，該款車配裝使用氮化镓元器件的高效逆變器，能使二氧化碳減排至少20%。

目前，一些廠商在致力於開發用於汽車主逆變器的氮化镓功率元件，不過氮化镓的汽車應用目前還是處於一個早期的階段，預計到2025年左右，會小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中，再遠到2030年，OEM或考慮將氮化镓引入到逆變器。

GaN技術在汽車和電動交通領域中有著巨大的應用潛能，但我們也應當注意到一些挑戰。例如如何在高壓高功率水平上提高氮化镓的技術成熟度，如何降低產品成本以實現大規模商業化，車規級認證等。

GaN功率器件在新能源汽車領域的應用或將有一個較長的過程，並不會一蹴而就。只有將氮化镓器件性能做得足夠好，成本足夠低，才有可能形成較強的競爭力，在汽車端形成一股新勢力。

2. 數據中心，GaN持續深耕

數據中心領域也是近幾年GaN廠商重點耕耘的方向之一。從相關廠商的進展可見，GaN在數據中心電源市場的應用已經邁出了一大步，而AI技術的興起為該市場再添了一把火。

因為伴隨著AI的蓬勃發展，依託傳統工作負載量所規劃的數據中心基礎構架正面臨巨大壓力，對電力的需求也高速增長。

2015~2030年數據中心預計用電量（圖源：IEA）

據數據顯示，2023年數據中心的耗電量達到500TWhr，相當於全球能耗的2%，而這個數字還在不斷攀升，預計到2030年數據中心的耗電量將佔到全球能耗的7%。因此，依靠當前數據中心所採用的電力轉換及分配技術，已難以滿足來自雲計算及機器學習的運算需求，面對更龐大能源的生成式AI應用，數據中心運營商正急迫地尋找創新電力解決方案。

近年來，快速發展的GaN功率半導體已經成為數據中心優化能源效率的關鍵技術之一，吸引了大批GaN玩家加入佈局陣列。

GaN器件為電源設備帶來更高的效率水準，效率提高代表能源損耗減少，設備也能減少過熱情形。例如，在典型數據中心構架中，基於GaN設計的電源供應器每年可為每10個機架增加300萬美元的營收，減少100公噸的二氧化碳排放量，省下13000美元的運營支出。當生成式AI對電力需求持續攀升、且每機架的功率密度提升至2-3倍時，這些GaN所帶來的優勢將更顯著。

此外，由於傳統的矽基電源管理系統效率較低，往往需要大量的冷卻設備來保持系統的穩定運行，這就進一步推高了數據中心的運營成本。而GaN功率元件則通過其高效能和低損耗的特性，大大降低了電源管理系統的能耗，同時減少了冷卻設備的需求，從而實現了雙重節能。

一個典型的例子就是Google的數據中心。Google一直致力於提高數據中心的能效，以應對其全球範圍內龐大的數據處理需求。公開資料顯示，Google已經在其部分數據中心中採用了GaN技術，這使得其電源效率提高了5%-10%，這看似不大的提升，可以為Google每年節省數百萬美元的電力成本。同時，這種技術的引入還減少了Google數據中心對冷卻系統的依賴，進一步降低了運營成本。

根據TrendForce數據預測，到2030年全球GaN功率元件市場規模有望增長至43.76億美元，其中非消費類應用的比例將顯著提升至48%。這意味著像Google、亞馬遜這樣的科技巨頭將在未來數年內大量採用GaN技術，以應對日益增長的能耗挑戰。

GaN技術正在以其高效能、低損耗的特點，逐步改變全球數據中心的運營模式。隨著市場需求的不斷增加，GaN技術將在未來幾年內得到更加廣泛的應用，成為數據中心高效能和低成本運營的重要推動力。通過降低電力消耗和減少冷卻需求，GaN技術不僅為企業節省了可觀的運營成本，還為全球節能減排作出了重要貢獻。

然而，需要注意的是，雖然氮化镓在多個領域都展現出了其應用潛力，但要實現其在數據中心的大批量使用，還需要克服一些技術挑戰和進行大量的實驗驗證。此外，成本因素也是需要考慮的，目前氮化镓的生產成本相對較高，這可能限制了其在大規模應用中的普及速度。

3. 儲能市場，GaN逐漸滲透

GaN技術不斷地優化，向高壓大功率應用的延伸，顯然會帶來更大的市場空間。

如今，各行各業都在追求「效率」、「能效」，更高的效率意味著更高的功率密度，與此同時，未來人們對電力資源的依賴性將大幅上升，消耗量也將隨之增長。因此，發展高效率的功率開關器件，降低電能在產生、傳輸等各環節的損耗，是社會經濟向節能、環保、綠色發展轉變的必然趨勢。

在雙碳要求下，新能源如風能、光伏等應用成為綠色發展的關鍵，但由於自然資源的不確定性，在新能源的存儲和利用過程中，需要儲能系統進行波峰和波穀的調配，從而改善系統波動性和不確定性。氮化镓作為半導體領域的明星材料，具備更高頻率、更低損耗的優勢，能夠更好地提升轉換效率和能源利用效率，在儲能領域扮演著越來越重要的角色。

其中，太陽能微型逆變器也是GaN高壓大功率應用的一個目標市場。

在分佈式電網裝置中，為每個獨立的太陽能電池板配置一個微型逆變器，然後在為房屋供電或為電網供電之前再將交流電「組合」起來，已經成為了未來的技術趨勢。GaN器件帶來的小型化和經濟性，恰好能夠滿足這一新的設計需求。

在戶外電源應用中，與傳統戶外電源相比，GaN戶外電源可以在提高戶外電源的壽命和可靠性的同時，降低電源體積，方便攜帶。

在固態電池領域，GaN作為電極材料，可以提高固態電池的充放電效率。由於其優良的電導性和電子遷移率，GaN可以促進電子在電池內的快速移動，從而加快充電速度並提高放電效率。此外，由於GaN具有高能量密度的特性，它可以幫助減少固態電池的體積和重量。這對於需要輕便電源的應用領域優勢顯著，如便攜式電子產品和無人機。

綜合來看，儲能系統採用GaN，一方面可以提升效率，降低損耗，實現無風散熱，節省風扇，從而提升系統可靠性和壽命；另一方面還能提升開關頻率，減小感性和容性等無源器件尺寸，構建更小、更輕的產品。

4. 氮化镓量子光源芯片

事實上，不止上述幾個領域，更多新興市場正在為GaN產業注入活力，比如今年發展如火如荼的人形機器人等電機驅動產業。

此外，電子科技大學信息與量子實驗室研究團隊今年4月又拿下了一個領域「首次」——成功研製出氮化镓量子光源芯片，使得此類光源的輸出波長範圍從25.6納米增加到100納米，並有望實現單片集成。

對電子科技大學基礎與前沿研究院教授、天府絳溪實驗室量子互聯網前沿研究中心主任周強來說，關鍵指標數據的一次次攀升，意味著離真正的量子互聯網越來越近。

同時，這一技術突破不僅為氮化镓的應用前景提供了強有力的背書，也預示著其在未來科技領域的廣闊應用空間。

周強介紹，氮化镓量子光源芯片的製備基礎是高品質因子和低損耗微腔的研製，其關鍵點在於高晶體質量的氮化镓薄膜製備以及氮化镓波導的刻蝕工藝。

通過不斷迭代電子束曝光和干法刻蝕工藝，經歷了上百次的探索和調試，研究團隊攻克了高質量氮化镓晶體薄膜生長、波導側壁與表面散射損耗等技術難題，成功獲得了低損耗氮化镓光波導和百萬品質因子的氮化镓光學微腔，進而實現了氮化镓量子光源的製備。

接下來，該團隊還要繼續努力攻關，改進氮化镓生長工藝，優化氮化镓的生長過程，並探索在單一芯片上實現量子光的生成、操控和檢測，進一步研究氮化镓芯片在量子互聯網中的性能。

三、GaN資本市場，表現活躍

伴隨應用場景逐漸擴大的，是功率半導體行業在收併購市場和資本市場的積極表現。

今年7月，GlobalFoundries宣佈收購Tagore Technology的功率氮化镓技術及知識產權組合。

6月，瑞薩電子宣佈完成對氮化镓功率半導體供應商Transphorm的收購，此後瑞薩加速推進氮化镓相關功率產品和參考設計。

5月，Power Integrations宣佈與氮化镓技術開發商Odyssey達成收購協議，希望推動MOSFET功率器件方面氮化镓模塊和矽基模塊的成本進一步接近。

2023年10月，英飛淩與GaN Systems簽署協議，以8.3億美元全現金交易的方式收購後者。這讓英飛淩在氮化镓功率器件市場直接進入全球第五。

中國廠商英諾賽科也在港股發佈招股書計劃上市；納微半導體已於2021年在上市美股。

雖然沒有出現產能過剩或低端價格戰等現象，但GaN功率半導體市場顯然也進入了一輪洗牌調整期。伴隨行業開始出現整合跡象，通過橫向併購整合，GaN企業能夠形成更具規模的經濟效應，在減少競爭對手的同時，提升市場佔有率，集中GaN市場優勢資源，拓展汽車、數據中心、儲能等新市場與新應用。

在這個過程中，降本是GaN能否快速商業化的關鍵。

商業競爭中，成本始終是一個不可忽視的因素。自2022年以來，儘管氮化镓芯片曾被認為比碳化矽芯片更為昂貴，但最新的技術進展已經改變了這一局面。

去年下半年，信越化學和從事ATM及通信設備的OKI開發出了以低成本製造使用氮化镓的功率半導體材料的技術。製造成本可以降至傳統製法的1/10以下。這對於氮化镓行業而言無疑是重大利好消息，但該技術仍待量產驗證。

英飛淩本次實現12英吋氮化镓晶圓的量產，這將使其能夠提供更具價格競爭力的氮化镓芯片。這為氮化镓芯片的價格競爭力提供了進一步的空間。

寫在最後

當前，氮化镓處於眾多行業趨勢的交彙點。儘管氮化镓材料的低功耗和高功率密度特性完美契合了當前社會對高效率的追求，被稱為未來材料的明星。但從市場情況來看，氮化镓目前仍處於發展過渡期。

短期而言，消費電子市場仍將是功率GaN的主舞台，且家電、智能手機等消費電子應用正在為GaN提供新的發展空間。但長期而言，電動汽車、數據中心等將成為GaN更重要的增長引擎。

據TrendForce集邦諮詢報告《2024全球GaN Power Device市場分析》顯示，長遠來看，GaN功率半導體市場的主要動力將來自電動汽車、數據中心、電機驅動等場景，受此驅動，全球GaN功率元件市場規模預估從2023年的2.71億美金左右上升至2030年的43.76億美金，年復合年增長率高達49%。其中，非消費類應用的比例預計將從2023年的23%上升至2030年的48%。