GaN 时代来了？

随着特斯拉宣布其下一代 EV 动力总成系统的 SiC 组件使用量减少 75%，预计第三代化合物半导体市场状况将发生变化，GaN 被认为会产生后续替代效应。据业内消息人士透露，这有望使台积电、世界先进半导体 (VIS) 和联华电子受益，它们已经进行了早期部署，并继续扩大其 8 英寸加工 GaN 器件的产能。

GaN 和 SiC 的比较

GaN 和 SiC 满足市场上不同的功率需求。SiC 器件可提供高达 1200V 的电压等级，并具备高载流能力，因此非常适合汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电场和大型三相电网转换器等应用。而 GaNFET 通常为 600V，可在 10kW 及更高范围内作为高功率密度转换器，应用范围包括消费类产品、服务器、电信和工业电源；伺服驱动器；电网转换器；电动汽车车载充电器和直流/直流转换器。

成本方面，GaN 通过消除有源和无源器件，使用更小、更轻的磁性元件，并降低系统的冷却需求，可实现显著的系统级成本节约。但是，实现的节省远不止这些。GaN 有望进一步降低器件成本。GaN 和 SiC 之间的主要差异在于基板成本。GaN 器件基于标准和现成的硅基板而构建，其制造方式与每年制造数十亿半导体集成电路的方式类似。此外，在硅基板上，制造商可以利用现有的制造工艺和工具，包括采用 300mm 晶圆。SiC 不仅具有相当高的原材料成本，而且需要专用的制造工艺。SiC 制造工艺的一项关键要求是需要超过 2500°C 的温度，这会给制造商带来高昂的能源成本。

MOSFET 晶体管的发明彻底改变了电力电子领域，并使工程师能够做以前不可能做的事情。几年后，宽带隙 GaN 和 SiC 器件的商业化再次将不可能变成现实。SiC 和 GaN 可满足不同的电压、功率和应用需求，但它们也都适用于某些终端设备。SiC 器件可提供高达 1200V 的电压等级，并具备高载流能力，因此非常适合汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电场和大型三相电网转换器等应用。而 GaN 具有出色的开关品质因数、固有的制造和成本优势以及更高的开关频率，已成为许多设计人员在 10kW 以下应用中的优选器件。无论是 USB Type-C 适配器、千瓦级电信整流器、集成机器人电机驱动器，还是电动汽车车载充电器等产品，设计人员都能通过工具让其成为更环保、更轻巧和更具成本效益的产品设计的理想之选。

相较于 SiC，GaN 拥有更好的材料性能，于开关时的耗损非常低，成本更是近乎于 Si。此外，GaN Systems 执行长 Jim Witham 也曾指出，制造 SiC 所需要的能耗是 GaN 的 10 至 20 倍，在 ESG 大势所趋之下，GaN 还兼具低碳优势。

爱尔兰的半导体制造商 Navitas、美国的 PowerIntegrations 和中国的英诺赛科已经在为新兴的快速充电应用生产 GaN 功率 IC，BEV 和 HEV 是他们的下一个目标市场。

晶圆厂有望受益

电池电动汽车（BEV）和混合动力电动汽车（HEV）确实是碳化硅组件的最佳应用出口，消息人士表示，并想知道特斯拉计划大幅减少其未来车辆碳化硅需求的真正意图。不过，他们也强调，GaN 在某些 EV 应用中确实可以替代 SiC。

特斯拉大幅削减 SiC 使用量可能会加速 GaN 渗透，GaN 在承受高功率的技术上已有所突破，导入车用的部分逐渐变多。在 2019 年的东京车展上，名古屋大学与 Toyota 先进电力电子技术研究部共同开发的 all GaN car，便是采用 GaN Systems 的产品。此外，该公司也在 2020 年，拿下 BMW 价值 1 亿美元的合约，足见 GaN 入车，已非遥不可及的未来。

而晶圆厂也将看到他们在该领域多年的部署获得显著回报。台积电于 2021 年开始量产第一代 650V GaN 增强型高电子迁移率晶体管 (E-HEMT)，用于目前市场上的 130 多种充电器。2022 年，台积电晶圆代工还实现了第二代 650V 和 100VE-HEMT 的商业化生产，其 FOM（品质因数）比第一代高出 50%。它正在开发第三代 650VE-HEMT，预计将于 2025 年推出。

台积电 GaN 芯片的产能利用率未来有望稳步提升，因为包括 Navitas 和 GaN Systems 在内的领先 GaN 芯片供应商都是其客户，并且都准备迎接芯片领域的光明市场前景。3 月初，英飞凌宣布以 8.3 亿美元收购加拿大公司 GaN Systems。GaN Systems 是全世界目前唯一把 GaN 带入车用上的公司，包括 BMW、Toyota、德国汽车一级供应（tier1）商 Vitesco、环旭电子和宏光半导体等都已经入股 GaN System。

VIS 最近宣布其 8 英寸 0.35 微米 650VGaN-onQST 工艺已通过客户的系统和可靠性验证，目前正在为国际 IDM 和 IC 设计人员量产。它与美国 Coefficient Power Conversion(EPC) 新签了一份为期数年的 8 英寸 GaN 元件量产协议，并已开始量产。

联电通过再投资微晶科技，开始了 6 英寸 GaN 代工业务，8 英寸的运营计划也启动了。它还与 OSATChipbondTechnology 合作进行 GaN 后端处理。

市场调研机构 Yole 预估，至 2027 年 GaN 市场将冲破 20 亿美元，其中车用年复合成长率将高达 97%。