文｜半導體產業(yè)縱橫

GaN 是近日半導體市場的熱點詞匯之一。

此前，東芝旗下的芯片制造商日本半導體大幅擴產芯片，重點關注 SiC 和 GaN 芯片；隨后，芯片制造大廠臺積電對 6 英寸晶圓代工產能進行調整，這一動態(tài)再次將 GaN 推向風口浪尖。

那么，臺積電的這則動態(tài)究竟會給 GaN 市場帶來何種改變？

臺積電，調整6、8英寸產能

在先進制程產能吃緊之際，臺積電正逐步淡出成熟制程與不具效益的產能布局，其中6英寸、8英寸廠與GaN生產首當其沖。

7月初，臺積電就已確認將在未來兩年停止其晶圓五廠的GaN生產，并將其改造為先進封裝產線。臺積電是GaN晶圓代工的先行者，2014年率先在6英寸晶圓廠引入這項技術，2015年擴大了GaN器件的生產范圍，2021年又將生產拓展至8英寸晶圓廠。

據悉，中國競爭對手激烈的價格戰(zhàn)是促使臺積電戰(zhàn)略退出GaN領域的關鍵因素。由于GaN生產規(guī)模有限且利潤微薄，該業(yè)務已不符合臺積電的戰(zhàn)略定位。

值得注意的是，臺積電的GaN業(yè)務主要在6英寸晶圓上進行。隨著GaN業(yè)務的逐步退出，6英寸晶圓代工也沒有太多"用武之地"。

金融服務機構Anue的數據顯示，臺積電目前6英寸GaN晶圓的月產能為3000-4000片，其中Navitas占據過半訂單，安可半導體（Ancora Semi）也是其主要客戶之一。

根據最新消息顯示，Navitas已與中國臺灣代工廠力積電達成戰(zhàn)略合作。力積電將于2026年上半年開始生產100V GaN產品，使用200mm硅晶圓。未來12-24個月內，Navitas現有的650V器件訂單將從獨家代工伙伴臺積電逐步轉移至力積電。

目前已有電源IC設計公司表示，已經收到臺積電口頭告知，臺積電將在2027年底結束最后一座6英寸廠營運，與其相關的高壓（HV）制程包含電源管理IC (PMIC)、馬達驅動IC、顯示驅動IC等需要承受較高電壓的芯片都將受影響。

在退出6英寸晶圓制造業(yè)務后，其閑置的廠區(qū)土地和廠房有望被重新利用。有分析認為，臺積電很可能會將該廠址改造為先進封裝廠，以支持其在CoWoS和SoIC等技術領域的擴張。

此外，臺積電還表示將持續(xù)整并8英寸晶圓產能。

GaN，市場猛增

臺積電的這一系列動態(tài)，正值GaN市場高速增長的背景之下。這一反差使得行業(yè)對GaN市場的未來格局更添關注。

GaN作為第三代寬禁帶半導體核心材料之一，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、抗輻射能力強和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，是制作寬波譜、高功率、高效率光電子、電力電子和微電子的理想材料。

TrendForce集邦咨詢近日發(fā)布研究數據顯示，預計GaN功率器件市場規(guī)模將從2024年的3.9億美元攀升至2030年的35.1億美元，年復合增長率達44%。

GaN技術最初在消費電子產品的快速充電器中嶄露頭角，其高效率和高功率密度特性使得充電器體積大幅縮小，攜帶更為便捷。如今，GaN的應用范圍正在迅速擴大，并朝著對可靠性和性能要求更高的高端工業(yè)和汽車領域滲透，重點潛力應用包括AI數據中心、人形機器人、汽車OBC、光伏微型逆變器等。

在數據中心方面，數據中心對高速運算和電力都有著龐大的需求。根據 TrendForce 的數據，NVIDIA（英偉達）Blackwell 平臺將于 2025 年正式放量，取代既有的 Hopper 平臺，成為 NVIDIA 高端 GPU（圖形處理器）主力方案，占整體高端產品近 83%。在 B200 和 GB200等追求高效能的 AI Server 機種，單顆 GPU 功耗可達 1000W 以上。

面對高漲的功率需求，每個數據中心機柜的功率規(guī)格將從 30-40kW 推高至 100kW，對于數據中心電源系統(tǒng)來說挑戰(zhàn)極大，而 GaN 與液冷技術的結合，將成為提升 AI 數據中心能效的關鍵。目前已有多家GaN廠商相繼宣布與英偉達建立了合作關系。

在人形機器人方面，其關節(jié)部位需要精確、響應快速且結構緊湊的電機控制系統(tǒng)，GaN有望成為關鍵的解決方案之一。目前已有不少廠商陸續(xù)推出了基于GaN技術的人形機器人關節(jié)電機驅動參考設計，期望實現緊湊高效的運動控制。

在汽車方面，GaN正在成為繼Si和SiC之后重要的新興技術選項。隨著電動車對更高功率和更高能效的需求不斷增長，GaN功率器件憑借其高開關速度和低損耗特性，為電動汽車中的逆變器和DC-DC轉換器提供了理想解決方案。當前市場上的許多高性能新能源汽車已經開始采用基于GaN的晶體管和二極管。例如，800V高壓平臺設計中的多級GaN解決方案已經取得顯著進展，這將進一步推動GaN技術在電動汽車中的普及。

那么，這樣一個增長趨勢良好的行業(yè)，晶圓代工巨頭臺積電為何會宣布停止 GaN 芯片代工呢？

原因主要有兩點:

其一，GaN芯片代工的技術門檻并不算高，主要聚焦6英寸與8英寸。在最近兩年，隨著GaN的火熱也迎來更多入局者。

其二，先進制程晶圓代工生產才是臺積電的主線任務，并且產能回報率也遠遠高于GaN代工。隨著AI芯片需求的爆炸式增長，臺積電的產能調配決策體現了其"聚焦高附加值業(yè)務"的核心戰(zhàn)略。

GaN，誰是領頭羊？

從襯底材料看，氮化鎵器件主要有四種技術路線：硅基氮化鎵(GaN-on-Si)、藍寶石基氮化鎵(GaN-on-Sapphire)、碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)和氮化鎵基氮化鎵(GaN-on-GaN)。其中，硅襯底成本僅為碳化硅的1/10，且可直接利用現有8英寸硅晶圓產線，硅基氮化鎵因此成為最具成本優(yōu)勢的技術路線。目前市面上主要的GaN器件企業(yè)大多采用GaN-on-Si方案。

在全球GaN功率器件市場上，當前英諾賽科、美國Power Integrations、美國納微半導體 Navitas和美國 EPC 處于領先地位，中國英諾賽科已成為全球龍頭。根據Yole研究數據顯示，2023 年全球GaN功率器件市場中，上述四家公司分別占據31%、17%、16%、15%的市場份額，其余幾家公司市占率分別為：GaN Systems 8%、英飛凌4%、Transphor 3%、其他公司6%。

其中，英諾賽科的 8 英寸 GaN 晶圓量產技術在行業(yè)內具有絕對領先地位，是全球首家實現規(guī)?；慨a的 IDM 廠商。通過自主研發(fā)的 3.0 代工藝平臺，單位晶圓芯片產出較 6 英寸提升 80%，芯片制造成本較行業(yè)平均水平降低 40%，良率穩(wěn)定在 95% 以上（行業(yè)平均 85-90%）。這一突破使 GaN 器件的規(guī)?；瘧贸蔀榭赡?。

近日，英諾賽科在港交所公告，已與NVIDIA（英偉達）達成合作，聯合推動800 VDC（800伏直流）電源架構在AI數據中心的規(guī)模化落地。該架構是英偉達針對未來高效供電兆瓦級計算基礎設施而專門設計的新一代電源系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)54V電源，在系統(tǒng)效率、熱損耗和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，可支持AI算力100—1000倍的提升。

GaN，要超過SiC？

GaN的熱度，似乎要比SiC晚上1~2年。

在電力電子領域，隨著傳統(tǒng)Si基器件難以滿足高頻、高壓、高溫場景需求。SiC憑借寬禁帶、高擊穿電場與高熱導率特性，降低導通損耗；GaN以高電子遷移率及獨特異質結構，減少開關損耗。

以英飛凌的3kw電源應用中SiC與GaN的開關效率的對比為例：

在開關頻率超過200K之后，碳化硅的開關效率就會明顯下降，在達到目前主流的500K的GaN電源的頻率下，碳化硅的效率就會下降1%。

在高溫高壓應用，GaN便不如碳化硅，所以對比市面上的碳化硅和GaN功率管，基本都是以600-800V耐壓為分界線，GaN主流應用在這個耐壓值以下的消費市場，而碳化硅基本都在這個耐壓值以上的高價值市場。

因此可以看到，在目前的實際應用中，SiC與GaN的分工比較明確，互不干涉。

不過在部分重疊的應用領域中，GaN正成為更有力地選擇。

劍橋GaN設備公司技術營銷總監(jiān)Daniel Murphy表示："在某些應用中，GaN可能是唯一的解決方案。例如，隨著人工智能處理器的激增，數據中心現在對功率的需求呈指數級增，這需要利用GaN功率器件的優(yōu)勢。"

關于成本問題，Daniel Murphy表示，"GaN已被證明是可靠的，早期圍繞設計挑戰(zhàn)的問題已基本得到解決，隨著GaN技術的成熟，預計其價格將下降到與標準硅相媲美的水平。"Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey也曾表示"GaN器件的生產成本并不比硅器件高，因為它可以使用與硅相同的生產線，只需進行相對較少的修改。"

未來隨著GaN技術的逐步成熟，或許會給半導體市場帶來諸多難以想象的驚喜。

此外，如果GaN 器件能成功提高漏源電壓，而又不削弱其目前巨大的制造優(yōu)勢，那么它很可能會擺脫目前主要在消費電子產品(例如USB充電器和AC適配器等)中的地位，進入SiC功率器件目前占主導地位的更大功率的應用領域。

如今，已經有制造商開始展示他們的1700V GaN解決方案。比如Power Integrations推出了InnoMux-2系列單級、獨立調整多路輸出離線式電源IC的新成員。該芯片采用PI專有的PowiGaN技術制造而成，支持更高母線電壓的使用，是業(yè)界首款1700VGaN開關IC，更是首個超過1250V的GaN器件。

廣東致能科技團隊與西安電子科技大學廣州研究院/廣州第三代半導體創(chuàng)新中心郝躍院士、張進成教授團隊等合作，成功研發(fā)出首個1700V GaN HEMT器件。該器件在6英寸藍寶石襯底上實現，采用了廣東致能科技有限公司的薄緩沖層AlGaN / GaN外延片技術。這一成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters期刊上。

該GaN HEMT器件具有超過3000V的高阻斷電壓和17Ω·mm的低導通電阻，表現出優(yōu)良的性能。該技術的優(yōu)勢在于降低外延和加工難度、降低成本，使GaN成為1700V甚至更高電平應用的有力競爭者。

不過，現在談論GaN是否會沖擊到SiC器件或許為時尚早，畢竟高壓及超高壓GaN 功率器件的研究還處于相對早期。在當前的半導體市場依舊呈現出GaN與SiC互補的格局，即"中低壓高頻看 GaN，高壓大功率靠 SiC"。