氮化镓的新变局 垂直整合成为重要目标

日期:2024-02-18 来源:中国电子报阅读:759
核心提示: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达5.04亿美元,年复合增长率将达到110%。

 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达5.04亿美元,年复合增长率将达到110%。

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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。

同时,氮化镓与碳化硅在新能源汽车上的用途也有所互补。根据英飞凌公开资料,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”。

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。

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