GaN 良率受限，難以取代 IGBT

氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表， 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，相關器件快速發(fā)展。第三代半導體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片等主要應用場景。

氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐「新基建」建設的關鍵核心器件，其下游應用切入了「新基建」中 5G 基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。此外，氮化鎵的高效電能轉換特性，能夠幫助實現(xiàn)光伏、風電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業(yè)電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領域的電能高效轉換，助力「碳達峰，碳中和」目標實現(xiàn)。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。據(jù)分析機構 Yole 研究顯示，在氮化鎵功率器件方面，2020 年的整體市場規(guī)模為 0.46 億美元，受消費類電子、電信及數(shù)據(jù)通信、電動汽車應用的驅動，預計到 2026 年增長至 11 億美元，復合年均增長率為 70%。值得一提的是，電動汽車領域的年復合增長率高達 185%。在氮化鎵射頻器件方面，2020 年的整體市場規(guī)模為 8.91 億美元，預計到 2026 年增長至 24 億美元，復合年均增長率為 18%。

GaN 是否能乘勝追擊？

近日，全球電動車大廠特斯拉突然宣布，下一代的電動車傳動系統(tǒng)碳化硅用量大減 75%，因借創(chuàng)新技術找到下一代電動車動力系統(tǒng)減少使用碳化硅的方法，也不會犧牲效能。這消息直接沖擊全球第三代半導體廠商股價，牽動廠商布局。

GaN Systems 全球業(yè)務發(fā)展副總裁莊淵棋分析，以 Tesla 欲砍 SiC 達 75% 目標來看，可從其第一、二、三代用量減少幅度來評估，第三代就有機會較第一代減少約 75% 用量，因此，單純通過 SiC 尺寸縮小來達到目標是有機會的。

Tesla 是率先采用 SiC 的車廠，如今為減少 SiC 用量、若欲混搭成本具競爭力的 IGBT，必須要考量到散熱、功率損耗表現(xiàn)遞減問題，可能得再添加上冷卻系統(tǒng)（Cooling System）才能達到原有的水準。

為了不受 SiC 缺料影響及總成本降低五成的考量，Tesla 說不定也會參考其他車廠的解決方案。例如四驅電動車，前兩輪可采 IGBT 或非 SiC，而后兩輪維持使用 SiC，同樣可以達到降低 SiC 用量。

至于 GaN 是否可乘勝追擊，快速顛覆工業(yè)、拿下車用領域？莊淵棋說，顛覆的速度難從單一元件廠商視野來評估，尤其車用器件的決定權，在于各不同車廠的設計、成本規(guī)劃以及車款定位等。

GaN 市場動態(tài)整理

目前部分 GaN 廠商宣稱已達到九成生產(chǎn)良率，但被客戶或競爭對手私下檢測時，產(chǎn)品良率僅五成。因此，就整個 GaN 的供應鏈來說，各供應商產(chǎn)品良莠不齊明顯，短期要全面發(fā)展起來仍有難度。

莊淵棋分析，SiC、GaN 要在 DC-DC 取代 IGBT 也有一定難度，因為環(huán)境要求沒有 OBC、馬達逆變器端來得嚴苛，用成本最具競爭力的 IGBT 可以展現(xiàn)相當優(yōu)越的性價比。

同樣在充電樁領域，因為對重量及空間不需錙銖必較，要拔掉成本最具優(yōu)勢的 IGBT 難度也高。

中、高電壓的 GaN，相較于小電壓的 3C 充電頭，在制程上也有不同的挑戰(zhàn)仍待克服。簡單地說，不同工作環(huán)境要求，對元件量產(chǎn)就是新挑戰(zhàn)，耐用、穩(wěn)定性需要完全符合應用端客戶要求。
在電動車上目前 GaN 以主流 400V 系統(tǒng)為主，若未來要跨入 800V，也得通過不同層面的認證，整體來看，GaN 要快速擴散至各應用領域，仍有層層關卡待突破。
以此來看，GaN 生產(chǎn)良率、形同 SiC 長晶般難掌控嗎？莊淵棋解釋，得視個別 GaN 廠商的實力而定。就 GaN 市場來看，不少產(chǎn)品暗藏的缺陷難以立即找到，常在一段時間后才被發(fā)現(xiàn)。

所以，供給愈來愈多好的晶粒（Good die）是 GaN 廠商的關鍵，不論用測試、篩檢或任何可行方法來運作，目前多方都在絞盡腦汁尋求最佳解方，以達到不同應用端的要求。