GaN出击

图片来源@视觉中国

文 | 半导体产业纵横

自上世纪五十年代以来，以硅材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了以集成电路为核心的微电子领域迅速发展。

随着时间的流逝，尽管目前业内仍然以Si材料作为主流半导体材料，但第二代、第三代甚至是第四代半导体材料都纷沓而至。

这其中又以第三代半导体材料——氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）受到大众关注。近段时间，GaN方面又有了新进展。

本土GaN企业快速发展

3月2日，英飞凌宣布收购氮化镓公司GaN Systems，交易总值8.3亿美元（约57.3亿人民币）。根据公告，英飞凌计划以全现金收购GaN Systems，资金将来自现有的流动资金。

GaN Systems是氮化镓（GaN）功率半导体厂商，拥有广泛的晶体管产品组合，可满足多行业的需求，包括消费电子、可再生能源系统、工业电机和汽车电子等，目前也向英飞凌的竞争对手供应GaN功率器件。

在第三代半导体走到岔路口的时候，英飞凌的收购给氮化镓多添了一笔。毕竟，特斯拉宣布下一代驱动单元将减少75%碳化硅（SiC）的消息后，带动SiC相关企业震动，纷纷担心SiC的未来灰暗。

现在，车用芯片大厂用真金白银选择了氮化镓。

除了英飞凌，罗姆有了新的产品进展，罗姆官方也表示，其开发出用于GaN半导体的高速控制IC，能够减少电源封装面积86%，可把通过集成电路切换电流开关时的时间缩短到了2纳秒（仅为原来的四分之一），是业界最快的。使用这种控制IC，GaN半导体就能最大限度地发挥出比现有的硅(Si)半导体等更好的高速开关性能，还能实现驱动外围部件的小型化。

我国2023年1月至3月有多个GaN项目也迎来最新进展，包括百思特达半导体GaN项目、博康(嘉兴)半导体GaN项目、仙芈智造新型智能功率模组(IPM)研发生产基地项目、中国电科射频集成电路产业化项目、东科半导体超高频GaN电源管理芯片项目等。

近年来，我国GaN发展迅速。GaN产业链按环节分为Si衬底（或GaN单晶衬底、SiC、蓝宝石）、GaN材料外延、器件设计、器件制造、封测以及应用。各个环节国内均有企业涉足，如在射频领域，SiC衬底生产商有天科合达、山东天岳等，GaN衬底有维微科技、科恒晶体、镓铝光电等公司。外延片涉足企业有晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等。苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等公司则同时涉足多环节，力图形成全产业链公司。

在中国GaN生态系统中较为出众的两家是英诺赛科和厦门三安集成电路。

目前在全球GaN市场上，英诺赛科排名前三，并采用IDM模式。拥有两座8英寸硅基GaN生产基地，采用最先进的8英寸生产工艺，是全球产能最高的GaN器件厂商。其中珠海工厂的产能已经达到4k片/月，苏州工厂达到6k片/月。

国内LED龙头“三安光电”在GaN领域有一定技术储备。三安光电是目前国内规模最大的LED外延片、芯片企业。2014年，该公司投资建设GaN高功率半导体项目；2018年，在福建泉州斥资333亿元投资Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体材料、LED外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业。在GaN领域，三安光电同样集中于产业链中游——器件模组的研究。其布局的器件类型主要包括可见光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完成约60家客户工程送样及系统验证，24家进入量产阶段。

中国本土厂商在GaN晶圆厂建设的脚步不断提速，在GaN的产能方面，中国已有应用在电力电子和射频领域的GaN晶圆产线各10条，多家中国本土企业已拥有了一定的GaN晶圆制造水平。

融资方面，GaN行业也发生了多起融资事件。例如，英诺赛科去年完成近30亿元D轮融资；无锡吴越半导体有限公司获数亿元战略融资，本轮融资将主要用于公司GaN自支撑衬底的研发与扩产；晶湛半导体也完成了数亿元B+轮战略融资，资金将主要用于晶湛半导体总部和研发中心的建设，项目达产后将建成GaN电力电子、射频电子以及微显示材料研发生产基地。

GaN 产业进度

以GaN技术的发展经历来看，2012年，业界第一颗600V的GaN芯片就通过了JEDEC，2018年，650V功率 GaN IC 面市，2019年650V功率GaN市场被打开。

2020年是GaN迎来改变的一年，这一年苹果宣布不再标配充电器，这让消费者开始转向第三方充电器。同时，小米带着研发的65W GaN充电器开始在消费市场中大放异彩。

这是GaN迎来的第一个大规模产业化应用。更大的禁带宽度更大，更高的临界击穿电场，更高的热导率更高，更高的饱和电子速率和电子迁移率等。GaN在非常高的电压、温度和开关下，具有更加优越的性能。比较三星的硅基和 GaN 基充电器有助于证明这一点：三星的 45W Si 快速充电器的功率密度为 0.55W/cm³；而其 45W 基于 GaN 的充电器拥有 0.76w/cm³的功率密度，占地面积缩小了近 30%。

在过去的一段时间里，包括苹果、三星在内的头部手机厂商都在自己的充电器中加入了GaN。此外，OPPO、联想、安克创新等品牌也纷纷推出了多款GaN功率芯片充电器，英诺赛科更将GaN技术直接引入手机主板。

消费者市场已经流行起来的GaN充电器已经从30W、45W、60W升级到100W、120W甚至200W以上。

除了消费领域的快充，汽车充电也是GaN的蓝海市场。利用GaN可以将汽车的OBC、DC-DC做得更小更轻，从而有空间放入更多的锂电池，提升整车续航里程。

安世半导体与联合汽车电子公司 (UAES) 共同打造基于GaN工艺的联合实验室，就UAES电动车的车载充电器、高压DC-DC直流转换器等项目展开合作。

纳微半导体成立全球首个电动汽车 (EV) 设计中心，并研制出专为EV定制的GaNFast氮化综功率芯片，可提升3倍充电速度，节能高达70%，同时增加5%的里程或降低5%的电池消耗。

此外，目前GaN功率器件成本也在下降。早期，由于GaN与传统半导体Si特性的不同，在开发初期遇到了许多瓶颈。直到近期才应用GaN-on-Si基板大幅降低了制作成本，成熟的生态链也让商品价格逐渐降低。目前GaN功率器件与硅基器件的差异已经从5-6倍降到非常接近的水平。

中泰证券分析师认为，对于成本问题，GaN在光电领域的技术已经较为成熟，例如LED、激光器等产品，其在充电器、充电桩等电力电子领域仍属高速扩张阶段，未来随着行业大规模商用，成本有望进一步下降。

不过，虽然GaN发展迅速，但仍然有其困境。例如GaN的损伤容易影响元件效果，且GaN-on-Si的「异质磊晶」技术让GaN的品质仍然有所疑虑，因此GaN仍然以消费性电子产品为主，至于高阶车厂会偏向选择SiC元件，因为SiC在可靠性、更高电压和散热度上更具有优势。

此外，目前GaN的主要困难还集中在衬底和外延环节。由于GaN高温下会分解，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要靠纯气体反应合成，但是氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属，两者反应时间长、速度慢，产生的副产物多。因此，生产GaN对于设备的要求非常苛刻，技术复杂、产能低。

GaN还存在良率太低导致难以大范围应用的问题。目前部分 GaN 厂商宣称已达到九成生产良率，但被客户或竞争对手私下检测时，产品良率仅五成。因此，就整个 GaN 的供应链来说，各供应商产品良莠不齐明显，短期要全面发展起来仍有难度。

总结

必须强调的是，所谓“第一代”、“第二代”和“第三代”半导体并非替代关系，下一代也不是全面领先于上一代。并且，虽然GaN和SiC同为第三代功率半导体的绝代双骄，但其应用场景有所区分。

一般来讲，SiC侧重于高压应用，GaN侧重于高频。在以便携性为核心竞争优势的充电器市场，GaN的高频特性可以更有效的提升产品功率密度，因此是更优的选择。两大半导体材料最后究竟市场需求如何，目前尚未分出胜负。

不过GaN开始进击了。

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