虽然氮化镓(GaN)功率半导体(Power Device)还在商业化初期阶段，但其长期发展潜力却已显露无遗，在近3年多来吸引至少8,800万美元的投资(图1)，足见GaN元件未来将大有可为。目前GaN元件主要发展业者--国际整流器(IR)及宜普(EPC)，已纷纷宣称其产品效能受得市场青睐，预计2012-2013年将成GaN市场起飞年。

　　Yole Developpement资深经理Philippe Roussel

　　挑战SiC市场地位 GaN功率元件声势大涨

　　自2011年以来，50-250伏特(V)负载点(Point-of-load)及高阶功率元件的市场需求不断高涨，而目前新的GaN元件规格已能符合此一耐压区间，将借更优异的材料特性，快速在市场上崛起。

　　现在是一个追求产品效能的时代，GaN可为各种ICT设备带来新的功能优势，未来一半以上的营收将来自资讯及消费型产业，且能长久持续下去。

　　与此同时，近期投资者对GaN半导体材料特性已展现浓厚兴趣，但须先有办法真正降低产品成本，才有资格谈投资成本的完全回收。

　　图1 2009-2011年功率半导体商已投入大量资金开发GaN元件

　　供给电晶体及电闸剩余需求应用的峰值电压(Peak Voltage)约为1,200伏特，在此电压下，GaN元件可在成本低廉的矽基板上带来更多应用价值，而受到市场欢迎。相反的，GaN难在4.5或6.5kV应用领域受到关注，因须采用相当大量的GaN做为基板，花费相当昂贵的开发成本。

　　然而，在1,200伏特应用领域中，GaN将面临另一种宽能隙(Wide-bandgap)半导体材料--碳化矽(SiC)的竞争，因为SiC可在相似的高温下操作，也具有电子可移动的优势，导致与GaN的应用重叠。因此，在与SiC具备差不多效能的前提下，GaN成本须降低约40%的幅度才有优势。随着600伏特GaN功率元件即将上市，预计可在太阳能逆变器(PV Inverter)市场有所发挥，但后续则将面临与SiC既有地位抗衡的难题。

　　位于加州圣塔芭芭拉南边Goleta市的Transphorm，是其中一家面临这项挑战的公司。其已藉由美国能源部计画推助，进一步与位于加州索罗马区Petaluma市的微逆变器(Microinverter)制造商--Enphase Energy结盟，积极加码投资GaN研发。

　　尽管目前对GaN在逆变器方面应用的讨论并不多，但其发展已渐趋成熟，很有可能威胁SiC的地位。其实，目前处于测试或正在销售内含SiC元件的逆变器业者，均已相继投入发展GaN技术。因此，600伏特GaN元件未来将会在逆变器领域扮演相当重要的角色，延续其在电源供应及电动车(EV)方面锐不可挡的发展气势。

　　市场前景可期 GaN吸引一窝蜂投资热潮

　　在GaN市场上，Transphorm无疑是投资人的关注焦点，该公司从2009年开始，已陆续从Google创投及索罗斯基金管理(Soros Fund Management)获得高达6,300万美元的资金挹注，这也显示出市场对GaN倍感兴趣。

　　由于大量热钱进入市场，也促成不少GaN新进业者冒出头来抢市，包含位于比利时Hasselt的磊晶业者--EpiGaN，以及位于加拿大渥太华的无晶圆厂(Fabless)业者--GaN Systems等;另外，设立于美国加州圣荷西的整合电路与元件供应商--包尔英特(Power Integrations)也透过购并纽泽西桑莫塞郡的GaN半导体商--Velox，积极切入市场。

　　不仅如此，英飞凌(Infineon)亦从艾司强(Aixtron)采购有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备，进一步将GaN半导体材料沉积在矽基板上，成功跨足该领域;而韩国乐金(LG)也采用相似手法展开布局。

　　另外，三星(Samsung)也在尝试研发矽基GaN为主的功率半导体;日本三肯(Sanken)也预计在2012年底∼2013年，与Panasonic及古河(Furukawa)等大厂联手量产GaN元件。其他计画进入GaN开发的业者还包括荷兰的恩智浦(NXP)半导体，以及总部位于瑞士日内瓦的意法半导体(ST)。

　　一般来说，发展与测试一种新半导体材料的时间相当长，但随着世界各地大厂纷纷投入，很有可能在未来2∼3年内就大量出现商用化的GaN产品。

　　上述大厂的加入无疑对GaN元件的发展注入一剂强心针，然而，在产品认证阶段时，是否能符合目标应用需求，却使这些公司面临营收成长缓慢的挑战。在验证阶段，业者主要贩卖相当高价的GaN元件，无法突显市场价值，但此一价格仅限于该阶段，实际上与未来2∼3年内商用量产的价格一定相差甚多。举例而言，矽基GaN磊晶目前单位价格跟往后在市场上的预估价格相比，便显得相当昂贵。

　　虽业界均看好GaN元件可提升电源转换效率，但仍面临诸多生产挑战。目前最关键的变数在于如何降低量产成本，也就是如何改善现有的6吋晶圆技术或直接跳到8吋，到头来都与业者的商业及生产模式有关(图2)。

　　图2 各家功率半导体商GaN元件生产模式与进度分析

　　举例来说，国际整流器正全力进行更完善的生产设备整合;而意法半导体或恩智浦则藉由购买磊晶，并以惯用的互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程生产，不须自行制作磊晶。此即回到营运模式与企业定位的问题，将反映成本结构上的差异，但目前很难进行比较。

　　半导体商加紧研发GaN 2013年市场将显著起飞

　　与成本结构的发展情形相同，GaN元件结构也会因技术整合方式不同，而有所差异，国际整流器与宜普目前都采取逆向工程方式，将1∼1.5微米(μm)厚的GaN磊晶层镀在矽基板上；至于EpiGaN与位于德国马德堡专门制造磊晶的Azzurro半导体，则宣称可供应5∼7微米厚的GaN层。后者将一举改变生产GaN元件的方式，若以崩溃电压为主要诉求更是如此。

　　除上述厂商以外，目前会另行采购磊晶制作GaN功率元件的通常是无晶圆厂公司，例如加拿大的GaN Systems、美国南卡罗莱纳州的Nitek，以及德国柏林的BeMiTec。这些公司的共通处是规模较小，由此可见，对磊晶业者来说GaN市场的前景并不明朗。

　　国际整流器与宜普现在GaN市场取得领先，且皆已推出商用产品，不过，截至目前为止，来自GaN元件的营收还是相当低。也因此，宜普现正尝试与位于明尼苏达州的元件批发商Digi-Key接洽，期拓展销售管道。

　　这些业者已达成100万或500万美元的营收吗?事实并不然，初估营收金额约略落在30万美元左右;而GaN整体市场产值，在2011年约为250万美元左右。此一情况在2012年可望改变，除国际整流器与宜普之外，至少还会有一到两家新进厂商一起创造大量营收，促进GaN产值在今年底??可望超过1,300万美元，并于2013年开始迅速成长，预期会有高达5,000万美元的市场需求。

　　虽然欧债危机可能对此发展埋下变因，但GaN的开发已势在必行，也许在全球总体经济不振的情况下，数量会比预期低，但因还未进入量产，因此不足以造成巨大影响。

　　在此同时，矽基GaN的发光二极体(LED)技术也正逐渐发挥影响力，将吸引更多功率元件采用相似构造。由于与功率电子相比，LED领域对GaN更加熟悉，故验证期相对较短，一旦矽基GaN的LED技术发展成熟，也将带动电源供应领域导入矽基GaN功率半导体的发展。

　　2013年后，国际整流器和恩智浦的50∼250伏特GaN元件技术将更臻成熟，并大量进驻资讯及消费型应用设备，引爆庞大的GaN元件商机。特别是愈来愈多业者的50∼250伏特或6??00伏特GaN逐渐通过验证，市场也将显著成长，营收将在2015年达到3亿美元，并可望在2020年前突破10亿美元大关。