導(dǎo)讀：自2011年以來，50-250伏特(V)負(fù)載點(diǎn)(Point-of-load)及高階功率元件的市場(chǎng)需求不斷高漲，而目前新的GaN元件規(guī)格已能符合此一耐壓區(qū)間，將借更優(yōu)異的材料特性，快速在市場(chǎng)上崛起。

雖然氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體(Power Device)還在商業(yè)化初期階段，但其長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿s已顯露無遺，在近3年多來吸引至少8,800萬美元的投資(圖1)，足見GaN元件未來將大有可為。目前GaN元件主要發(fā)展業(yè)者--國(guó)際整流器(IR)及宜普(EPC)，已紛紛宣稱其產(chǎn)品效能受得市場(chǎng)青睞，預(yù)計(jì)2012-2013年將成GaN市場(chǎng)起飛年。

挑戰(zhàn)SiC市場(chǎng)地位 GaN功率元件聲勢(shì)大漲

自2011年以來，50-250伏特(V)負(fù)載點(diǎn)(Point-of-load)及高階功率元件的市場(chǎng)需求不斷高漲，而目前新的GaN元件規(guī)格已能符合此一耐壓區(qū)間，將借更優(yōu)異的材料特性，快速在市場(chǎng)上崛起。

現(xiàn)在是一個(gè)追求產(chǎn)品效能的時(shí)代，GaN可為各種ICT設(shè)備帶來新的功能優(yōu)勢(shì)，未來一半以上的營(yíng)收將來自資訊及消費(fèi)型產(chǎn)業(yè)，且能長(zhǎng)久持續(xù)下去。

與此同時(shí)，近期投資者對(duì)GaN半導(dǎo)體材料特性已展現(xiàn)濃厚興趣，但須先有辦法真正降低產(chǎn)品成本，才有資格談投資成本的完全回收。

圖1 2009-2011年功率半導(dǎo)體商已投入大量資金開發(fā)GaN元件

供給電晶體及電閘剩余需求應(yīng)用的峰值電壓(Peak Voltage)約為1,200伏特，在此電壓下，GaN元件可在成本低廉的矽基板上帶來更多應(yīng)用價(jià)值，而受到市場(chǎng)歡迎。相反的，GaN難在4.5或6.5kV應(yīng)用領(lǐng)域受到關(guān)注，因須采用相當(dāng)大量的GaN做為基板，花費(fèi)相當(dāng)昂貴的開發(fā)成本。

然而，在1,200伏特應(yīng)用領(lǐng)域中，GaN將面臨另一種寬能隙(Wide-bandgap)半導(dǎo)體材料--碳化矽(SiC)的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)镾iC可在相似的高溫下操作，也具有電子可移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致與GaN的應(yīng)用重疊。因此，在與SiC具備差不多效能的前提下，GaN成本須降低約40%的幅度才有優(yōu)勢(shì)。隨著600伏特GaN功率元件即將上市，預(yù)計(jì)可在太陽能逆變器(PV Inverter)市場(chǎng)有所發(fā)揮，但后續(xù)則將面臨與SiC既有地位抗衡的難題。

位于加州圣塔芭芭拉南邊Goleta市的Transphorm，是其中一家面臨這項(xiàng)挑戰(zhàn)的公司。其已藉由美國(guó)能源部計(jì)畫推助，進(jìn)一步與位于加州索羅馬區(qū)Petaluma市的微逆變器(Microinverter)制造商--Enphase Energy結(jié)盟，積極加碼投資GaN研發(fā)。

盡管目前對(duì)GaN在逆變器方面應(yīng)用的討論并不多，但其發(fā)展已漸趨成熟，很有可能威脅SiC的地位。其實(shí)，目前處于測(cè)試或正在銷售內(nèi)含SiC元件的逆變器業(yè)者，均已相繼投入發(fā)展GaN技術(shù)。因此，600伏特GaN元件未來將會(huì)在逆變器領(lǐng)域扮演相當(dāng)重要的角色，延續(xù)其在電源供應(yīng)及電動(dòng)車(EV)方面銳不可擋的發(fā)展氣勢(shì)。

市場(chǎng)前景可期 GaN吸引一窩蜂投資熱潮

在GaN市場(chǎng)上，Transphorm無疑是投資人的關(guān)注焦點(diǎn)，該公司從2009年開始，已陸續(xù)從Google創(chuàng)投及索羅斯基金管理(Soros Fund Management)獲得高達(dá)6,300萬美元的資金挹注，這也顯示出市場(chǎng)對(duì)GaN倍感興趣。

由于大量熱錢進(jìn)入市場(chǎng)，也促成不少GaN新進(jìn)業(yè)者冒出頭來搶市，包含位于比利時(shí)Hasselt的磊晶業(yè)者--EpiGaN，以及位于加拿大渥太華的無晶圓廠(Fabless)業(yè)者--GaN Systems等;另外，設(shè)立于美國(guó)加州圣荷西的整合電路與元件供應(yīng)商--包爾英特(Power Integrations)也透過購(gòu)并紐澤西桑莫塞郡的GaN半導(dǎo)體商--Velox，積極切入市場(chǎng)。

不僅如此，英飛凌(Infineon)亦從艾司強(qiáng)(Aixtron)采購(gòu)有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，進(jìn)一步將GaN半導(dǎo)體材料沉積在矽基板上，成功跨足該領(lǐng)域;而韓國(guó)樂金(LG)也采用相似手法展開布局。

另外，三星(Samsung)也在嘗試研發(fā)矽基GaN為主的功率半導(dǎo)體;日本三肯(Sanken)也預(yù)計(jì)在2012年底∼2013年，與Panasonic及古河(Furukawa)等大廠聯(lián)手量產(chǎn)GaN元件。其他計(jì)畫進(jìn)入GaN開發(fā)的業(yè)者還包括荷蘭的恩智浦(NXP)半導(dǎo)體，以及總部位于瑞士日內(nèi)瓦的意法半導(dǎo)體(ST)。

一般來說，發(fā)展與測(cè)試一種新半導(dǎo)體材料的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，但隨著世界各地大廠紛紛投入，很有可能在未來2∼3年內(nèi)就大量出現(xiàn)商用化的GaN產(chǎn)品。

上述大廠的加入無疑對(duì)GaN元件的發(fā)展注入一劑強(qiáng)心針，然而，在產(chǎn)品認(rèn)證階段時(shí)，是否能符合目標(biāo)應(yīng)用需求，卻使這些公司面臨營(yíng)收成長(zhǎng)緩慢的挑戰(zhàn)。在驗(yàn)證階段，業(yè)者主要販賣相當(dāng)高價(jià)的GaN元件，無法突顯市場(chǎng)價(jià)值，但此一價(jià)格僅限于該階段，實(shí)際上與未來2∼3年內(nèi)商用量產(chǎn)的價(jià)格一定相差甚多。舉例而言，矽基GaN磊晶目前單位價(jià)格跟往后在市場(chǎng)上的預(yù)估價(jià)格相比，便顯得相當(dāng)昂貴。

雖業(yè)界均看好GaN元件可提升電源轉(zhuǎn)換效率，但仍面臨諸多生產(chǎn)挑戰(zhàn)。目前最關(guān)鍵的變數(shù)在于如何降低量產(chǎn)成本，也就是如何改善現(xiàn)有的6吋晶圓技術(shù)或直接跳到8吋，到頭來都與業(yè)者的商業(yè)及生產(chǎn)模式有關(guān)(圖2)。

圖2 各家功率半導(dǎo)體商GaN元件生產(chǎn)模式與進(jìn)度分析

舉例來說，國(guó)際整流器正全力進(jìn)行更完善的生產(chǎn)設(shè)備整合;而意法半導(dǎo)體或恩智浦則藉由購(gòu)買磊晶，并以慣用的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程生產(chǎn)，不須自行制作磊晶。此即回到營(yíng)運(yùn)模式與企業(yè)定位的問題，將反映成本結(jié)構(gòu)上的差異，但目前很難進(jìn)行比較。

半導(dǎo)體商加緊研發(fā)GaN 2013年市場(chǎng)將顯著起飛

與成本結(jié)構(gòu)的發(fā)展情形相同，GaN元件結(jié)構(gòu)也會(huì)因技術(shù)整合方式不同，而有所差異，國(guó)際整流器與宜普目前都采取逆向工程方式，將1∼1.5微米(μm)厚的GaN磊晶層鍍?cè)谖迳?至于EpiGaN與位于德國(guó)馬德堡專門制造磊晶的Azzurro半導(dǎo)體，則宣稱可供應(yīng)5∼7微米厚的GaN層。后者將一舉改變生產(chǎn)GaN元件的方式，若以崩潰電壓為主要訴求更是如此。

除上述廠商以外，目前會(huì)另行采購(gòu)磊晶制作GaN功率元件的通常是無晶圓廠公司，例如加拿大的GaN Systems、美國(guó)南卡羅萊納州的Nitek，以及德國(guó)柏林的BeMiTec。這些公司的共通處是規(guī)模較小，由此可見，對(duì)磊晶業(yè)者來說GaN市場(chǎng)的前景并不明朗。

國(guó)際整流器與宜普現(xiàn)在GaN市場(chǎng)取得領(lǐng)先，且皆已推出商用產(chǎn)品，不過，截至目前為止，來自GaN元件的營(yíng)收還是相當(dāng)?shù)汀Ｒ惨虼?，宜普現(xiàn)正嘗試與位于明尼蘇達(dá)州的元件批發(fā)商Digi-Key接洽，期拓展銷售管道。

這些業(yè)者已達(dá)成100萬或500萬美元的營(yíng)收嗎?事實(shí)并不然，初估營(yíng)收金額約略落在30萬美元左右;而GaN整體市場(chǎng)產(chǎn)值，在2011年約為250萬美元左右。此一情況在2012年可望改變，除國(guó)際整流器與宜普之外，至少還會(huì)有一到兩家新進(jìn)廠商一起創(chuàng)造大量營(yíng)收，促進(jìn)GaN產(chǎn)值在今年底​​可望超過1,300萬美元，并于2013年開始迅速成長(zhǎng)，預(yù)期會(huì)有高達(dá)5,000萬美元的市場(chǎng)需求。

雖然歐債危機(jī)可能對(duì)此發(fā)展埋下變因，但GaN的開發(fā)已勢(shì)在必行，也許在全球總體經(jīng)濟(jì)不振的情況下，數(shù)量會(huì)比預(yù)期低，但因還未進(jìn)入量產(chǎn)，因此不足以造成巨大影響。

在此同時(shí)，矽基GaN的發(fā)光二極體(LED)技術(shù)也正逐漸發(fā)揮影響力，將吸引更多功率元件采用相似構(gòu)造。由于與功率電子相比，LED領(lǐng)域?qū)aN更加熟悉，故驗(yàn)證期相對(duì)較短，一旦矽基GaN的LED技術(shù)發(fā)展成熟，也將帶動(dòng)電源供應(yīng)領(lǐng)域?qū)胛鵊aN功率半導(dǎo)體的發(fā)展。

2013年后，國(guó)際整流器和恩智浦的50∼250伏特GaN元件技術(shù)將更臻成熟，并大量進(jìn)駐資訊及消費(fèi)型應(yīng)用設(shè)備，引爆龐大的GaN元件商機(jī)。特別是愈來愈多業(yè)者的50∼250伏特或6​​00伏特GaN逐漸通過驗(yàn)證，市場(chǎng)也將顯著成長(zhǎng)，營(yíng)收將在2015年達(dá)到3億美元，并可望在2020年前突破10億美元大關(guān)。

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