導讀：自2011年以來，50-250伏特(V)負載點(Point-of-load)及高階功率元件的市場需求不斷高漲，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，快速在市場上崛起。
雖然氮化鎵(GaN)功率半導體(Power Device)還在商業(yè)化初期階段，但其長期發(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--國際整流器(IR)及宜普(EPC)，已紛紛宣稱其產(chǎn)品效能受得市場青睞，預計2012-2013年將成GaN市場起飛年。
挑戰(zhàn)SiC市場地位 GaN功率元件聲勢大漲
自2011年以來，50-250伏特(V)負載點(Point-of-load)及高階功率元件的市場需求不斷高漲，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，快速在市場上崛起。
現(xiàn)在是一個追求產(chǎn)品效能的時代，GaN可為各種ICT設(shè)備帶來新的功能優(yōu)勢，未來一半以上的營收將來自資訊及消費型產(chǎn)業(yè)，且能長久持續(xù)下去。
與此同時，近期投資者對GaN半導體材料特性已展現(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用價值，而受到市場歡迎。相反的，GaN難在4.5或6.5kV應用領(lǐng)域受到關(guān)注，因須采用相當大量的GaN做為基板，花費相當昂貴的開發(fā)成本。
然而，在1,200伏特應用領(lǐng)域中，GaN將面臨另一種寬能隙(Wide-bandgap)半導體材料--碳化矽(SiC)的競爭，因為SiC可在相似的高溫下操作，也具有電子可移動的優(yōu)勢，導致與GaN的應用重疊。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。隨著600伏特GaN功率元件即將上市，預計可在太陽能逆變器(PV Inverter)市場有所發(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挑戰(zhàn)的公司。其已藉由美國能源部計畫推助，進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GaN在逆變器方面應用的討論并不多，但其發(fā)展已漸趨成熟，很有可能威脅SiC的地位。其實，目前處于測試或正在銷售內(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元件未來將會在逆變器領(lǐng)域扮演相當重要的角色，延續(xù)其在電源供應及電動車(EV)方面銳不可擋的發(fā)展氣勢。
市場前景可期 GaN吸引一窩蜂投資熱潮
在GaN市場上，Transphorm無疑是投資人的關(guān)注焦點，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6,300萬美元的資金挹注，這也顯示出市場對GaN倍感興趣。
由于大量熱錢進入市場，也促成不少GaN新進業(yè)者冒出頭來搶市，包含位于比利時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)立于美國加州圣荷西的整合電路與元件供應商--包爾英特(Power Integrations)也透過購并紐澤西桑莫塞郡的GaN半導體商--Velox，積極切入市場。
不僅如此，英飛凌(Infineon)亦從艾司強(Aixtron)采購有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，進一步將GaN半導體材料沉積在矽基板上，成功跨足該領(lǐng)域;而韓國樂金(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為主的功率半導體;日本三肯(Sanken)也預計在2012年底∼2013年，與Panasonic及古河(Furukawa)等大廠聯(lián)手量產(chǎn)GaN元件。其他計畫進入GaN開發(fā)的業(yè)者還包括荷蘭的恩智浦(NXP)半導體，以及總部位于瑞士日內(nèi)瓦的意法半導體(ST)。
一般來說，發(fā)展與測試一種新半導體材料的時間相當長，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GaN元件的發(fā)展注入一劑強心針，然而，在產(chǎn)品認證階段時，是否能符合目標應用需求，卻使這些公司面臨營收成長緩慢的挑戰(zhàn)。在驗證階段，業(yè)者主要販賣相當高價的GaN元件，無法突顯市場價值，但此一價格僅限于該階段，實際上與未來2∼3年內(nèi)商用量產(chǎn)的價格一定相差甚多。舉例而言，矽基GaN磊晶目前單位價格跟往后在市場上的預估價格相比，便顯得相當昂貴。
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 各家功率半導體商GaN元件生產(chǎn)模式與進度分析
舉例來說，國際整流器正全力進行更完善的生產(chǎn)設(shè)備整合;而意法半導體或恩智浦則藉由購買磊晶，并以慣用的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程生產(chǎn)，不須自行制作磊晶。此即回到營運模式與企業(yè)定位的問題，將反映成本結(jié)構(gòu)上的差異，但目前很難進行比較。
半導體商加緊研發(fā)GaN 2013年市場將顯著起飛
與成本結(jié)構(gòu)的發(fā)展情形相同，GaN元件結(jié)構(gòu)也會因技術(shù)整合方式不同，而有所差異，國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磊晶層鍍在矽基板上;至于EpiGaN與位于德國馬德堡專門制造磊晶的Azzurro半導體，則宣稱可供應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，目前會另行采購磊晶制作GaN功率元件的通常是無晶圓廠公司，例如加拿大的GaN Systems、美國南卡羅萊納州的Nitek，以及德國柏林的BeMiTec。這些公司的共通處是規(guī)模較小，由此可見，對磊晶業(yè)者來說GaN市場的前景并不明朗。
國際整流器與宜普現(xiàn)在GaN市場取得領(lǐng)先，且皆已推出商用產(chǎn)品，不過，截至目前為止，來自GaN元件的營收還是相當?shù)?。也因此，宜普現(xiàn)正嘗試與位于明尼蘇達州的元件批發(fā)商Digi-Key接洽，期拓展銷售管道。
這些業(yè)者已達成100萬或500萬美元的營收嗎?事實并不然，初估營收金額約略落在30萬美元左右;而GaN整體市場產(chǎn)值，在2011年約為250萬美元左右。此一情況在2012年可望改變，除國際整流器與宜普之外，至少還會有一到兩家新進廠商一起創(chuàng)造大量營收，促進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，預期會有高達5,000萬美元的市場需求。
雖然歐債危機可能對此發(fā)展埋下變因，但GaN的開發(fā)已勢在必行，也許在全球總體經(jīng)濟不振的情況下，數(shù)量會比預期低，但因還未進入量產(chǎn)，因此不足以造成巨大影響。
在此同時，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，故驗證期相對較短，一旦矽基GaN的LED技術(shù)發(fā)展成熟，也將帶動電源供應領(lǐng)域?qū)胛鵊aN功率半導體的發(fā)展。
2013年后，國際整流器和恩智浦的50∼250伏特GaN元件技術(shù)將更臻成熟，并大量進駐資訊及消費型應用設(shè)備，引爆龐大的GaN元件商機。特別是愈來愈多業(yè)者的50∼250伏特或600伏特GaN逐漸通過驗證，市場也將顯著成長，營收將在2015年達到3億美元，并可望在2020年前突破10億美元大關(guān)。
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