GaN 時(shí)代來了？

隨著特斯拉宣布其下一代 EV 動(dòng)力總成系統(tǒng)的 SiC 組件使用量減少 75%，預(yù)計(jì)第三代化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)狀況將發(fā)生變化，GaN 被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生后續(xù)替代效應(yīng)。據(jù)業(yè)內(nèi)消息人士透露，這有望使臺(tái)積電、世界先進(jìn)半導(dǎo)體 (VIS) 和聯(lián)華電子受益，它們已經(jīng)進(jìn)行了早期部署，并繼續(xù)擴(kuò)大其 8 英寸加工 GaN 器件的產(chǎn)能。

GaN 和 SiC 的比較

GaN 和 SiC 滿足市場(chǎng)上不同的功率需求。SiC 器件可提供高達(dá) 1200V 的電壓等級(jí)，并具備高載流能力，因此非常適合汽車和機(jī)車牽引逆變器、高功率太陽能發(fā)電場(chǎng)和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。而 GaNFET 通常為 600V，可在 10kW 及更高范圍內(nèi)作為高功率密度轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用范圍包括消費(fèi)類產(chǎn)品、服務(wù)器、電信和工業(yè)電源；伺服驅(qū)動(dòng)器；電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器；電動(dòng)汽車車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器。

成本方面，GaN 通過消除有源和無源器件，使用更小、更輕的磁性元件，并降低系統(tǒng)的冷卻需求，可實(shí)現(xiàn)顯著的系統(tǒng)級(jí)成本節(jié)約。但是，實(shí)現(xiàn)的節(jié)省遠(yuǎn)不止這些。GaN 有望進(jìn)一步降低器件成本。GaN 和 SiC 之間的主要差異在于基板成本。GaN 器件基于標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)成的硅基板而構(gòu)建，其制造方式與每年制造數(shù)十億半導(dǎo)體集成電路的方式類似。此外，在硅基板上，制造商可以利用現(xiàn)有的制造工藝和工具，包括采用 300mm 晶圓。SiC 不僅具有相當(dāng)高的原材料成本，而且需要專用的制造工藝。SiC 制造工藝的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是需要超過 2500°C 的溫度，這會(huì)給制造商帶來高昂的能源成本。

MOSFET 晶體管的發(fā)明徹底改變了電力電子領(lǐng)域，并使工程師能夠做以前不可能做的事情。幾年后，寬帶隙 GaN 和 SiC 器件的商業(yè)化再次將不可能變成現(xiàn)實(shí)。SiC 和 GaN 可滿足不同的電壓、功率和應(yīng)用需求，但它們也都適用于某些終端設(shè)備。SiC 器件可提供高達(dá) 1200V 的電壓等級(jí)，并具備高載流能力，因此非常適合汽車和機(jī)車牽引逆變器、高功率太陽能發(fā)電場(chǎng)和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。而 GaN 具有出色的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)、固有的制造和成本優(yōu)勢(shì)以及更高的開關(guān)頻率，已成為許多設(shè)計(jì)人員在 10kW 以下應(yīng)用中的優(yōu)選器件。無論是 USB Type-C 適配器、千瓦級(jí)電信整流器、集成機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，還是電動(dòng)汽車車載充電器等產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員都能通過工具讓其成為更環(huán)保、更輕巧和更具成本效益的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理想之選。

相較于 SiC，GaN 擁有更好的材料性能，于開關(guān)時(shí)的耗損非常低，成本更是近乎于 Si。此外，GaN Systems 執(zhí)行長(zhǎng) Jim Witham 也曾指出，制造 SiC 所需要的能耗是 GaN 的 10 至 20 倍，在 ESG 大勢(shì)所趨之下，GaN 還兼具低碳優(yōu)勢(shì)。

愛爾蘭的半導(dǎo)體制造商 Navitas、美國的 PowerIntegrations 和中國的英諾賽科已經(jīng)在為新興的快速充電應(yīng)用生產(chǎn) GaN 功率 IC，BEV 和 HEV 是他們的下一個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)。

晶圓廠有望受益

電池電動(dòng)汽車（BEV）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）確實(shí)是碳化硅組件的最佳應(yīng)用出口，消息人士表示，并想知道特斯拉計(jì)劃大幅減少其未來車輛碳化硅需求的真正意圖。不過，他們也強(qiáng)調(diào)，GaN 在某些 EV 應(yīng)用中確實(shí)可以替代 SiC。

特斯拉大幅削減 SiC 使用量可能會(huì)加速 GaN 滲透，GaN 在承受高功率的技術(shù)上已有所突破，導(dǎo)入車用的部分逐漸變多。在 2019 年的東京車展上，名古屋大學(xué)與 Toyota 先進(jìn)電力電子技術(shù)研究部共同開發(fā)的 all GaN car，便是采用 GaN Systems 的產(chǎn)品。此外，該公司也在 2020 年，拿下 BMW 價(jià)值 1 億美元的合約，足見 GaN 入車，已非遙不可及的未來。

而晶圓廠也將看到他們?cè)谠擃I(lǐng)域多年的部署獲得顯著回報(bào)。臺(tái)積電于 2021 年開始量產(chǎn)第一代 650V GaN 增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管 (E-HEMT)，用于目前市場(chǎng)上的 130 多種充電器。2022 年，臺(tái)積電晶圓代工還實(shí)現(xiàn)了第二代 650V 和 100VE-HEMT 的商業(yè)化生產(chǎn)，其 FOM（品質(zhì)因數(shù)）比第一代高出 50%。它正在開發(fā)第三代 650VE-HEMT，預(yù)計(jì)將于 2025 年推出。

臺(tái)積電 GaN 芯片的產(chǎn)能利用率未來有望穩(wěn)步提升，因?yàn)榘?Navitas 和 GaN Systems 在內(nèi)的領(lǐng)先 GaN 芯片供應(yīng)商都是其客戶，并且都準(zhǔn)備迎接芯片領(lǐng)域的光明市場(chǎng)前景。3 月初，英飛凌宣布以 8.3 億美元收購加拿大公司 GaN Systems。GaN Systems 是全世界目前唯一把 GaN 帶入車用上的公司，包括 BMW、Toyota、德國汽車一級(jí)供應(yīng)（tier1）商 Vitesco、環(huán)旭電子和宏光半導(dǎo)體等都已經(jīng)入股 GaN System。

VIS 最近宣布其 8 英寸 0.35 微米 650VGaN-onQST 工藝已通過客戶的系統(tǒng)和可靠性驗(yàn)證，目前正在為國際 IDM 和 IC 設(shè)計(jì)人員量產(chǎn)。它與美國 Coefficient Power Conversion(EPC) 新簽了一份為期數(shù)年的 8 英寸 GaN 元件量產(chǎn)協(xié)議，并已開始量產(chǎn)。

聯(lián)電通過再投資微晶科技，開始了 6 英寸 GaN 代工業(yè)務(wù)，8 英寸的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃也啟動(dòng)了。它還與 OSATChipbondTechnology 合作進(jìn)行 GaN 后端處理。

市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole 預(yù)估，至 2027 年 GaN 市場(chǎng)將沖破 20 億美元，其中車用年復(fù)合成長(zhǎng)率將高達(dá) 97%。