隨著新能源汽車的需求增加，市場對碳化矽的關註度逐漸提高，而與碳化矽同為寬禁帶半導體的氮化鎵也同樣受到企業青睞。
2024年1月，瑞薩電子收購估值約為3.5億美元的全球氮化鎵（GaN）功率半導體供應商Transphorm。在更早些時候，功率半導體頭部企業英飛淩斥資8.3億美元收購氮化鎵企業GaN Systems，企業的種種舉措，搭建起了氮化鎵新一輪的競爭要地。
功率器件將成為新的增長點
根據氮化鎵延長層所生長的襯底（碳化矽襯底、矽襯底、藍寶石襯底）不同，氮化鎵主要有三大套用領域。碳化矽襯底+氮化鎵外延層可制成射頻器件，套用於衛星通訊、5G等領域；矽襯底+氮化鎵外延層所制成的功率器件則可套用在工業、新能源汽車以及數據中心當中；藍寶石襯底+氮化鎵外延層可制成光電器件，被套用於傳統LED照明、MiniLED和MicroLED領域。
數據顯示，在2021年時，氮化鎵光電器件市場份額占比約為65%；其次為射頻器件，占比約為30%。而功率器件則受制於其產品可靠性、設計工藝以及後續測試等多個環節的發展狀況，再加上驗證周期較長，其市場規模僅有約1.3億美元。然而，功率器件的增速卻被產業界所看好，有機構預測，氮化鎵功率器件的市場規模在2028年有望達到20.4億美元。
這一態度的轉變或許能夠從Cree公司的調整中得以感知。成立於1987年的Cree曾是LED的知名品牌之一，主要產品有LED芯片和封裝器件。2017年，由於公司LED和照明業務部門的利潤下降，負責碳化矽、氮化鎵等材料制造業務的Wolfspeed部門增速較高，使得Cree調整公司戰略，並於2020年將公司LED業務打包出售給了SMART Global Holding。2021年底，Cree完成了從照明業務到半導體業務的轉型，同時正式更名為Wolfspeed，專註於功率器件和材料業務。
氮化鎵「上車」之路
具體到氮化鎵器件的套用領域，新能源汽車也為氮化鎵帶來不小的增量。預測數據顯示，2028年，氮化鎵功率器件在新能源汽車中的市場規模將達5.04億美元，年復合增長率將達到110%。
汽車在氮化鎵功率器件中的市場占比正在增大（圖片來源：YOLE）
同為寬禁帶半導體，氮化鎵的材料特性與碳化矽類似，憑借更高的擊穿電壓和開關頻率，以及更低的導通電阻和導通損耗，氮化鎵和碳化矽逐漸成為了汽車中替代傳統矽基器件的新型方案。
在GaN Systems被英飛淩收購之前，該公司曾接受寶馬汽車的投資，並且在高效能車載標準的氮化鎵功率器件方面簽署了全面產能協定。早在PCIM Europe 2020上，GaN Systems執行長Jim Witham就介紹了All-GaN（全氮化鎵）汽車，以展示氮化鎵在汽車裏的多種套用場景，到了PCIM Europe 2023，Jim Witham宣布了向汽車品牌Canoo提供氮化鎵車載電源（OBC）。宜普電源轉換公司執行長Alex Lidow表示，氮化鎵技術在以下四個方面推動車載系統的發展，分別是：車載資訊娛樂系統DC-DC轉換器、無刷直流（BLDC）汽車電機、自主導航光檢測和測距（即雷射雷達）以及48V輕混動力（MHEV）汽車。
GaN Syestems為Canoo提供的氮化鎵車載電源（圖片來源：GaN Systems）
同時，氮化鎵與碳化矽在新能源汽車上的用途也有所互補。根據英飛淩公開資料，氮化鎵與碳化矽雖然在效能上有相近之處，但是優勢領域有所差異。碳化矽側重於高壓套用，氮化鎵則側重於高頻。因此，兩種材料的「上車」路徑略有不同，碳化矽隨著400V以及800V高壓平台的逐漸普及，其高耐壓性為整車動力系統帶來的優勢得以體現；而氮化鎵的高頻效能可以轉換為無線充電的優勢，Jim Witham表示，座艙內的無線充電功能允許對多部手機進行高功率、快速充電，且對手機擺放位置要求不高，充電過程也不受異物幹擾，這些都能提升車主在座艙內的駕駛體驗。
垂直整合成為重要目標
氮化鎵正在被更多功率半導體公司重視，其生產制作流程涵蓋了襯底、外延層生長、工藝設計、測試等多道工序，因此，對制造鏈條的補足也成為了許多公司關註的目標。
據了解，瑞薩電子所收購的Transphorm是少數擁有生產氮化鎵晶圓能力的公司，並且外延片已透過車規級品質體系認證。相比在碳化矽領域還需要依賴與Wolfspeed的十年協定獲取晶圓，瑞薩電子率先在氮化鎵業務補足了晶圓和襯底供應的重要環節。另據Transphorm介紹，其電力電子技術的創新實作了「99%的效率提升、50%功率密度的提升並降低了20%的系統成本」。
Transphorm CEO Primit Parikh（左）及瑞薩電子CEO柴田英利（右）（圖片來源： 瑞薩電子）
與瑞薩電子不同，英飛淩具備內部生產氮化鎵的能力。GaN Systems屬於Fabless模式，專註氮化鎵的研發套用與創新，因此，英飛淩收購GaN Systems的側重點則在於強化工藝設計能力以及豐富產品線。數據顯示，完成收購後，英飛淩在氮化鎵功率器件中的市場占有率將從約4%提升至約15%，為全球第四。
早在2018年，意法半導體與法國CEA Tech下屬研究所Leti進行合作，共同研制矽基氮化鎵功率器件制造技術，重點是創新功率器件二極體和晶體管的架構。2020年，意法半導體與台積電合作，加速開發氮化鎵工藝技術。意法半導體前汽車與離散事業部總裁Marco Monti表示:「（與台積電）合作補充了我們與CEA Leti開展的有關功率GaN的現有活動，氮化鎵代表了功率電子產品和工藝技術的下一個重大創新。」
回顧幾家企業的收並購與合作事件，有機構推測，未來IDM模式將會成為氮化鎵功率器件生態的主導力量——與碳化矽行業類似，具有垂直整合能力、並能保障自身生產鏈條完整性的企業，會在競爭中具有更大優勢。
氮化鎵何時能迎來市場拐點？
氮化鎵勢不可擋
作者丨 王信豪
編輯丨張心怡
美編丨馬利亞
監制丨連曉東
