GaN，新拐点?

这一次是氮化镓。

作为第三代半导体材料的典型代表，在过去多年的发展历程中，氮化镓似乎一直都被碳化硅稳压一头。而这次，氮化镓率先实现12英寸晶圆量产的消息传来，备受行业瞩目。

一、GaN，迎来技术拐点

1. 英飞凌率先推出全球首款12英寸GaN晶圆

近日，英飞凌宣布已成功开发出全球首款12英寸（300mm）功率氮化镓（GaN）晶圆。

作为全球首家在现有可扩展的大批量生产环境中掌握这一突破性技术的公司，英飞凌这一突破将极大地推动氮化镓功率半导体市场的发展。

12英寸晶圆与8英寸晶圆相比，每片能多生产2.3倍数量的芯片，技术和效率显著提升。

英飞凌表示，12英寸氮化镓技术的一大优势是可以利用现有的12英寸硅晶圆制造设备，这是因为氮化镓和硅的制造工艺非常相似。英飞凌现有的大规模12英寸硅晶圆生产线是试点可靠氮化镓技术的理想选择，有利于加快实施速度并有效利用资金。

全面规模化量产12英寸氮化镓生产将有助于氮化镓在导通电阻水平上与硅的成本平价，这意味着同类硅和氮化镓产品的成本持平。

2. 信越化学推出QST衬底，GaN新突破

就在英飞凌宣布12英寸GaN晶圆前几天，信越化学宣布实现了GaN专用生长衬底300mm QST衬底，并开始发货样品。

据悉，QST衬底是美国Qromis公司开发的专门用于GaN生长的复合材料衬底，信越化学于2019年获得许可。到目前为止，信越化学已经销售了直径150mm和200mm的QST衬底，以及QST外延衬底上的GaN。如今成功开发出300mm QST基板，在扩大150mm和200mm QST基板设施的同时，还将致力于300mm QST基板的量产。

从GaN生产上看，尽管GaN器件制造商可以使用现有的Si生产线来生产GaN，但由于缺乏适合GaN生长的大直径基板，因此无法从增加材料直径中获益。

300mmQST衬底的一项关键突破在于具有与GaN相同的热膨胀系数，克服了GaN与通常用于制造GaN功率器件的Si晶圆之间的巨大热膨胀系数（CTE）失配问题。这使得可以外延生长厚度为300mm的高质量GaN，而不会出现“翘曲”或“裂纹”。

目前，有客户已经开始使用QST衬底和QST外延衬底上的GaN开发功率器件、高频器件和LED，并已进入数据中心电源的开发阶段。

此外，全球还有英特尔、晶湛半导体、IVWorks等多家企业也曾宣布实现了12英寸GaN突破，在器件、外延、生产设施等方面实现技术突破。

二、GaN市场，迅速拓围

氮化镓，作为第三代半导体材料的佼佼者，实际上早已在LED照明和激光显示等显示技术领域占据重要地位。近年来，凭借其卓越的击穿电场、热导率、电子饱和率和耐辐射性等特性，氮化镓在半导体功率器件领域的应用前景愈发受到行业关注。

凭借上述特性优势，氮化镓技术在智能设备快充领域率先得到广泛应用。

早在2014年，世界上最早的氮化镓充电芯片出现。十年来，氮化镓充电器已逐渐成为更多人的选择。

英诺赛科招股书显示，氮化镓功率半导体市场将实现指数级增长，从2024年的32.28亿元人民币增长至2028年的501.42亿元人民币，预计复合年增长率达到98.5%。特别是在消费电子领域，氮化镓功率半导体市场的增长预期尤为显著，预计从2024年的24.66亿元人民币增长至2028年的211.33亿元人民币，复合年增长率为71.1%。

全球氮化镓功率半导体市场规模（资料来源：英诺赛科招股书）

在主导消费电子快充市场之后，氮化镓功率器件在数据中心、汽车和储能领域也已经逐步开始渗透，迎来市场的拐点与转型。

1. GaN，上车进展？

随着新能源汽车和自动驾驶技术的发展，对高效能、高密度的功率电子器件的需求日益增长。GaN作为一种新兴的半导体材料，因其优异的电子特性和潜在的系统成本优势，在汽车市场中展现出巨大的商业潜力。

首先，GaN功率器件可以用于电动汽车的功率电子变流器中，例如充电器和转换器。汽车行业热衷于将GaN电源IC用于逆变器模块，因为它比SiC更便宜，也热衷于将GaN电源IC用于车载电池充电器（OBC）和从电池到车辆中不同应用的各种DC-DC转换。

与传统的硅器件相比，GaN器件可以实现更紧凑的设计和更高的功率密度，这对于电动汽车来说意味着更轻量化的动力系统和更高的能效。

除了在动力系统中的应用，GaN在汽车激光雷达领域也展现出巨大的潜力。激光雷达是自动驾驶技术的关键组成部分，GaN器件的高效率和紧凑尺寸使其成为激光雷达系统的理想选择。

与早期激光雷达产品相比，GaN器件的开关速度大幅提升，脉冲宽度缩小至原来的1/5。采用窄脉冲、大峰值电流、高功率的氮化镓可以为激光雷达提供更优越的性能支持。

同时，GaN技术也可以应用于电动汽车充电桩中，用于提供高效、高功率密度的电能转换。GaN功率器件可以实现充电桩的小型化设计和高效率的电能传输，从而提升充电效率和用户体验。

在车载充电器、DC/DC转换器以及车载激光雷达等领域的应用“渐入佳境”之后，氮化镓能否上到新能源汽车的主逆变器之中呢？

根据研究机构的统计，一辆新能源汽车当中氮化镓器件的总潜在市场（TAM）超过250美元，其中车载充电器近50美元，DC/DC转换器约15亿美元，而主驱动应用接近200美元。如果能够有所突破，氮化镓将获得更大的发展空间。

在2019东京车展上，丰田汽车曾展出一款与他方共同研发的all-GaN概念车。据介绍，该款车配装使用氮化镓元器件的高效逆变器，能使二氧化碳减排至少20%。

目前，一些厂商在致力于开发用于汽车主逆变器的氮化镓功率元件，不过氮化镓的汽车应用目前还是处于一个早期的阶段，预计到2025年左右，会小批量地渗透到低功率的OBC和DC-DC中，再远到2030年，OEM或考虑将氮化镓引入到逆变器。

GaN技术在汽车和电动交通领域中有着巨大的应用潜能，但我们也应当注意到一些挑战。例如如何在高压高功率水平上提高氮化镓的技术成熟度，如何降低产品成本以实现大规模商业化，车规级认证等。

GaN功率器件在新能源汽车领域的应用或将有一个较长的过程，并不会一蹴而就。只有将氮化镓器件性能做得足够好，成本足够低，才有可能形成较强的竞争力，在汽车端形成一股新势力。

2. 数据中心，GaN持续深耕

数据中心领域也是近几年GaN厂商重点耕耘的方向之一。从相关厂商的进展可见，GaN在数据中心电源市场的应用已经迈出了一大步，而AI技术的兴起为该市场再添了一把火。

因为伴随着AI的蓬勃发展，依托传统工作负载量所规划的数据中心基础构架正面临巨大压力，对电力的需求也高速增长。

2015~2030年数据中心预计用电量（图源：IEA）

据数据显示，2023年数据中心的耗电量达到500TWhr，相当于全球能耗的2%，而这个数字还在不断攀升，预计到2030年数据中心的耗电量将占到全球能耗的7%。因此，依靠当前数据中心所采用的电力转换及分配技术，已难以满足来自云计算及机器学习的运算需求，面对更庞大能源的生成式AI应用，数据中心运营商正急迫地寻找创新电力解决方案。

近年来，快速发展的GaN功率半导体已经成为数据中心优化能源效率的关键技术之一，吸引了大批GaN玩家加入布局阵列。

GaN器件为电源设备带来更高的效率水准，效率提高代表能源损耗减少，设备也能减少过热情形。例如，在典型数据中心构架中，基于GaN设计的电源供应器每年可为每10个机架增加300万美元的营收，减少100公吨的二氧化碳排放量，省下13000美元的运营支出。当生成式AI对电力需求持续攀升、且每机架的功率密度提升至2-3倍时，这些GaN所带来的优势将更显著。

此外，由于传统的硅基电源管理系统效率较低，往往需要大量的冷却设备来保持系统的稳定运行，这就进一步推高了数据中心的运营成本。而GaN功率元件则通过其高效能和低损耗的特性，大大降低了电源管理系统的能耗，同时减少了冷却设备的需求，从而实现了双重节能。

一个典型的例子就是谷歌的数据中心。谷歌一直致力于提高数据中心的能效，以应对其全球范围内庞大的数据处理需求。公开资料显示，谷歌已经在其部分数据中心中采用了GaN技术，这使得其电源效率提高了5%-10%，这看似不大的提升，可以为谷歌每年节省数百万美元的电力成本。同时，这种技术的引入还减少了谷歌数据中心对冷却系统的依赖，进一步降低了运营成本。

根据TrendForce数据预测，到2030年全球GaN功率元件市场规模有望增长至43.76亿美元，其中非消费类应用的比例将显著提升至48%。这意味着像谷歌、亚马逊这样的科技巨头将在未来数年内大量采用GaN技术，以应对日益增长的能耗挑战。

GaN技术正在以其高效能、低损耗的特点，逐步改变全球数据中心的运营模式。随着市场需求的不断增加，GaN技术将在未来几年内得到更加广泛的应用，成为数据中心高效能和低成本运营的重要推动力。通过降低电力消耗和减少冷却需求，GaN技术不仅为企业节省了可观的运营成本，还为全球节能减排作出了重要贡献。

然而，需要注意的是，虽然氮化镓在多个领域都展现出了其应用潜力，但要实现其在数据中心的大批量使用，还需要克服一些技术挑战和进行大量的实验验证。此外，成本因素也是需要考虑的，目前氮化镓的生产成本相对较高，这可能限制了其在大规模应用中的普及速度。

3. 储能市场，GaN逐渐渗透

GaN技术不断地优化，向高压大功率应用的延伸，显然会带来更大的市场空间。

如今，各行各业都在追求“效率”、“能效”，更高的效率意味着更高的功率密度，与此同时，未来人们对电力资源的依赖性将大幅上升，消耗量也将随之增长。因此，发展高效率的功率开关器件，降低电能在产生、传输等各环节的损耗，是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋势。

在双碳要求下，新能源如风能、光伏等应用成为绿色发展的关键，但由于自然资源的不确定性，在新能源的存储和利用过程中，需要储能系统进行波峰和波谷的调配，从而改善系统波动性和不确定性。氮化镓作为半导体领域的明星材料，具备更高频率、更低损耗的优势，能够更好地提升转换效率和能源利用效率，在储能领域扮演着越来越重要的角色。

其中，太阳能微型逆变器也是GaN高压大功率应用的一个目标市场。

在分布式电网装置中，为每个独立的太阳能电池板配置一个微型逆变器，然后在为房屋供电或为电网供电之前再将交流电“组合”起来，已经成为了未来的技术趋势。GaN器件带来的小型化和经济性，恰好能够满足这一新的设计需求。

在户外电源应用中，与传统户外电源相比，GaN户外电源可以在提高户外电源的寿命和可靠性的同时，降低电源体积，方便携带。

在固态电池领域，GaN作为电极材料，可以提高固态电池的充放电效率。由于其优良的电导性和电子迁移率，GaN可以促进电子在电池内的快速移动，从而加快充电速度并提高放电效率。此外，由于GaN具有高能量密度的特性，它可以帮助减少固态电池的体积和重量。这对于需要轻便电源的应用领域优势显著，如便携式电子产品和无人机。

综合来看，储能系统采用GaN，一方面可以提升效率，降低损耗，实现无风散热，节省风扇，从而提升系统可靠性和寿命；另一方面还能提升开关频率，减小感性和容性等无源器件尺寸，构建更小、更轻的产品。

4. 氮化镓量子光源芯片

事实上，不止上述几个领域，更多新兴市场正在为GaN产业注入活力，比如今年发展如火如荼的人形机器人等电机驱动产业。

此外，电子科技大学信息与量子实验室研究团队今年4月又拿下了一个领域“首次”——成功研制出氮化镓量子光源芯片，使得此类光源的输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米，并有望实现单片集成。

对电子科技大学基础与前沿研究院教授、天府绛溪实验室量子互联网前沿研究中心主任周强来说，关键指标数据的一次次攀升，意味着离真正的量子互联网越来越近。

同时，这一技术突破不仅为氮化镓的应用前景提供了强有力的背书，也预示着其在未来科技领域的广阔应用空间。

周强介绍，氮化镓量子光源芯片的制备基础是高品质因子和低损耗微腔的研制，其关键点在于高晶体质量的氮化镓薄膜制备以及氮化镓波导的刻蚀工艺。

通过不断迭代电子束曝光和干法刻蚀工艺，经历了上百次的探索和调试，研究团队攻克了高质量氮化镓晶体薄膜生长、波导侧壁与表面散射损耗等技术难题，成功获得了低损耗氮化镓光波导和百万品质因子的氮化镓光学微腔，进而实现了氮化镓量子光源的制备。

接下来，该团队还要继续努力攻关，改进氮化镓生长工艺，优化氮化镓的生长过程，并探索在单一芯片上实现量子光的生成、操控和检测，进一步研究氮化镓芯片在量子互联网中的性能。

三、GaN资本市场，表现活跃

伴随应用场景逐渐扩大的，是功率半导体行业在收并购市场和资本市场的积极表现。

今年7月，GlobalFoundries宣布收购Tagore Technology的功率氮化镓技术及知识产权组合。

6月，瑞萨电子宣布完成对氮化镓功率半导体供应商Transphorm的收购，此后瑞萨加速推进氮化镓相关功率产品和参考设计。

5月，Power Integrations宣布与氮化镓技术开发商Odyssey达成收购协议，希望推动MOSFET功率器件方面氮化镓模块和硅基模块的成本进一步接近。

2023年10月，英飞凌与GaN Systems签署协议，以8.3亿美元全现金交易的方式收购后者。这让英飞凌在氮化镓功率器件市场直接进入全球第五。

中国厂商英诺赛科也在港股发布招股书计划上市；纳微半导体已于2021年在上市美股。

虽然没有出现产能过剩或低端价格战等现象，但GaN功率半导体市场显然也进入了一轮洗牌调整期。伴随行业开始出现整合迹象，通过横向并购整合，GaN企业能够形成更具规模的经济效应，在减少竞争对手的同时，提升市场占有率，集中GaN市场优势资源，拓展汽车、数据中心、储能等新市场与新应用。

在这个过程中，降本是GaN能否快速商业化的关键。

商业竞争中，成本始终是一个不可忽视的因素。自2022年以来，尽管氮化镓芯片曾被认为比碳化硅芯片更为昂贵，但最新的技术进展已经改变了这一局面。

去年下半年，信越化学和从事ATM及通信设备的OKI开发出了以低成本制造使用氮化镓的功率半导体材料的技术。制造成本可以降至传统制法的1/10以下。这对于氮化镓行业而言无疑是重大利好消息，但该技术仍待量产验证。

英飞凌本次实现12英寸氮化镓晶圆的量产，这将使其能够提供更具价格竞争力的氮化镓芯片。这为氮化镓芯片的价格竞争力提供了进一步的空间。

写在最后

当前，氮化镓处于众多行业趋势的交汇点。尽管氮化镓材料的低功耗和高功率密度特性完美契合了当前社会对高效率的追求，被称为未来材料的明星。但从市场情况来看，氮化镓目前仍处于发展过渡期。

短期而言，消费电子市场仍将是功率GaN的主舞台，且家电、智能手机等消费电子应用正在为GaN提供新的发展空间。但长期而言，电动汽车、数据中心等将成为GaN更重要的增长引擎。

据TrendForce集邦咨询报告《2024全球GaN Power Device市场分析》显示，长远来看，GaN功率半导体市场的主要动力将来自电动汽车、数据中心、电机驱动等场景，受此驱动，全球GaN功率元件市场规模预估从2023年的2.71亿美金左右上升至2030年的43.76亿美金，年复合年增长率高达49%。其中，非消费类应用的比例预计将从2023年的23%上升至2030年的48%。

可以预见，电动汽车、数据中心、电机驱动等应用动能强劲，GaN功率半导体市场未来可期。未来会有更多玩家和资金涌入GaN功率半导体领域，而市场竞争也将逐步激烈化。然而，市场格局目前扑朔迷离，未来谁能占据龙头宝座仍是未知数。

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：L晨光