行业动态
随着新能源汽车的需求增加，市场对碳化硅的关注度逐渐提高，而与碳化硅同为宽禁带半导体的氮化镓也同样受到企业青睐。
2024年1月，瑞萨电子收购估值约为3.5亿美元的全球氮化镓（GaN）功率半导体供应商Transphorm。在更早些时候，功率半导体头部企业英飞凌斥资8.3亿美元收购氮化镓企业GaN Systems，企业的种种举措，搭建起了氮化镓新一轮的竞争要地。
功率器件将成为新的增长点
根据氮化镓延长层所生长的衬底（碳化硅衬底、硅衬底、蓝宝石衬底）不同，氮化镓主要有三大应用领域。碳化硅衬底+氮化镓外延层可制成射频器件，应用于卫星通信、5G等领域；硅衬底+氮化镓外延层所制成的功率器件则可应用在工业、新能源汽车以及数据中心当中；蓝宝石衬底+氮化镓外延层可制成光电器件，被应用于传统LED照明、MiniLED和MicroLED领域。
数据显示，在2021年时，氮化镓光电器件市场份额占比约为65%；其次为射频器件，占比约为30%。而功率器件则受制于其产品可靠性、设计工艺以及后续测试等多个环节的发展状况，再加上验证周期较长，其市场规模仅有约为1.3亿美元。然而，功率器件的增速却被产业界所看好，有机构预测，氮化镓功率器件的市场规模在2028年有望达到20.4亿美元。
这一态度的转变或许能够从Cree公司的调整中得以感知。成立于1987年的Cree曾是LED的知名品牌之一，主要产品有LED芯片和封装器件。2017年，由于公司LED和照明业务部门的利润下降，负责碳化硅、氮化镓等材料制造业务的Wolfspeed部门增速较高，使得Cree调整公司战略，并于2020年将公司LED业务打包出售给了SMART Global Holding。2021年底，Cree完成了从照明业务到半导体业务的转型，同时正式更名为Wolfspeed，专注于功率器件和材料业务。
氮化镓“上车”之路
具体到氮化镓器件的应用领域，新能源汽车也为氮化镓带来不小的增量。预测数据显示，2028年，氮化镓功率器件在新能源汽车中的市场规模将超过5.04亿美元，年复合增长率将达到110%。
汽车在氮化镓功率器件中的市场占比正在增大（图片来源：YOLE）
同为宽禁带半导体，氮化镓的材料特性与碳化硅类似，凭借更高的击穿电压和开关频率，以及更低的导通电阻和导通损耗，氮化镓和碳化硅逐渐成为了汽车中替代传统硅基器件的新型方案。
在GaN Systems被英飞凌收购之前，该公司曾接受宝马汽车的投资，并且在高性能车载标准的氮化镓功率器件方面签署了全面产能协议。早在PCIM Europe 2020上，GaN Systems首席执行官Jim Witham就介绍了All-GaN（全氮化镓）汽车，以展示氮化镓在汽车里的多种应用场景，到了PCIM Europe 2023，Jim Witham宣布了向汽车品牌Canoo提供氮化镓车载电源（OBC）。宜普电源转换公司首席执行官Alex Lidow表示，氮化镓技术在以下四个方面推动车载系统的发展，分别是：车载信息娱乐系统DC-DC转换器、无刷直流（BLDC）汽车电机、自主导航光检测和测距（即激光雷达）以及48V轻混动力（MHEV）汽车。
GaN Syestems为Canoo提供的氮化镓车载电源（图片来源：GaN Systems）
同时，氮化镓与碳化硅在新能源汽车上的用途也有所互补。英飞凌公开资料显示，氮化镓与碳化硅虽然在性能上有相近之处，但是优势领域有所差异。碳化硅侧重于高压应用，氮化镓则侧重于高频。因此，两种材料的“上车”路径略有不同，碳化硅随着400V以及800V高压平台的逐渐普及，其高耐压性为整车动力系统带来的优势得以体现；而氮化镓的高频性能可以转换为无线充电的优势，Jim Witham表示，座舱内的无线充电功能允许对多部手机进行高功率、快速充电，且对手机摆放位置要求不高，充电过程也不受异物干扰，这些都能提升车主在座舱内的驾驶体验。
垂直整合成为重要目标
氮化镓正在被更多功率半导体公司重视，其生产制作流程涵盖了衬底、外延层生长、工艺设计、测试等多道工序，因此，对制造链条的补足也成为了许多公司关注的目标。
据了解，瑞萨电子所收购的Transphorm是少数拥有生产氮化镓晶圆能力的公司，并且外延片已通过车规级品质体系认证。相比在碳化硅领域还需要依赖与Wolfspeed的十年协议获取晶圆，瑞萨电子率先在氮化镓业务补足了晶圆和衬底供应的重要环节。另据Transphorm介绍，其电力电子技术的创新实现了“99%的效率提升、50%功率密度的提升并降低了20%的系统成本”。
Transphorm CEO Primit Parikh（左）及瑞萨电子CEO柴田英利（右）（图片来源：瑞萨电子）
与瑞萨电子不同，英飞凌具备内部生产氮化镓的能力。GaN Systems属于Fabless模式，专注氮化镓的研发应用与创新，因此，英飞凌收购GaN Systems的侧重点则在于强化工艺设计能力以及丰富产品线。数据显示，完成收购后，英飞凌在氮化镓功率器件中的市场占有率将从约4%提升至约15%，为全球第四。
早在2018年，意法半导体与法国CEA Tech下属研究所Leti进行合作，共同研制硅基氮化镓功率器件制造技术，重点是创新功率器件二极管和晶体管的架构。2020年，意法半导体与台积电合作，加速开发氮化镓工艺技术。意法半导体前汽车与离散事业部总裁Marco Monti表示:“（与台积电）合作补充了我们与CEA Leti开展的有关功率GaN的现有活动，氮化镓代表了功率电子产品和工艺技术的下一个重大创新。”
回顾几家企业的收并购与合作事件，有机构推测，未来IDM模式将会成为氮化镓功率器件生态的主导力量——与碳化硅行业类似，具有垂直整合能力、并能保障自身生产链条完整性的企业，会在竞争中具有更大优势。
来源：中国电子报
