第三代半導體氮化鎵(GaN)

氮化鎵

我們在《什麼是第三代半導體》這篇文章裡面提過氮化鎵(GaN)是第三代半導體的兩大主角之一。建議您, 一定要先看一下先前的這一篇文章,接著再來往下讀。

氮化鎵的優勢

納微(Navitas,美股代碼:NVTS)宣稱,他們⽣產的氮化鎵功率半導體,速度是傳統矽晶片的20倍、並能傳送3倍的電壓,⽽且尺⼨和重量只有矽晶片的⼀半。

在2021年6月的投資⼈會議上,納微執⾏⻑Gene Sheridan現場展⽰了使⽤氮化鎵晶片製成的⼿機充電器,體積是⼀般充電器的⼀半,半⼩時內就能充飽50%的電⼒。Sheridan說,下一代代的氮化鎵充電器,⽬標是在8分鐘內充飽50%的電⼒。

發展情形

第三代半導體發展,⼤多朝GaN on SiC(碳化矽基氮化鎵)以及GaN on Si(矽基氮化鎵)兩條路線發展,前者應⽤於基地台⾼頻,後者多應⽤於中低頻部分。不過雖有⾼低頻應⽤上的差異,但兩者都有各⾃的挑戰需要克服,前者在於碳化矽(SiC)基板主要掌握在國際少數廠商⼿上,像是Wolfspeed(美股代碼:WOLF),使得成本居⾼不下;後者在於化合物材料⻑在矽基材上⾯,有晶格不匹配等製程上的問題需要克服。

價格

氮化鎵充電器功能雖然強⼤,售價也比矽晶片充電器貴上20%。Sheridan預測,兩年內氮化鎵充電器的成本將與矽充電器打平,3年後氮化鎵充電器會比矽充電器更便宜。

應用領域

氮化鎵目前主要用在行動裝置的電池快速充電等小型的系統上,例如手機和筆電;氮化鎵功率晶片商納微預測,5年後⼿機充電器將捨棄傳統矽晶片,轉向擁抱氮化鎵半導體。

但由於電動車才是最大的市場,氮化鎵當然也早已進入這個市場。

而在常見的汽車、消費電子快充裝置之外,無論是軍艦上的相控雷達,還是高鐵上的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor ,IGBT)器件,氮化鎵等材料都有著廣泛且必不可少的應用,民用市場、軍用市場,未來的規模上限都很高。

潛在的市場

TrendForce集邦諮詢預測:2025年第三代半導體碳化矽/氮化鎵功率市場規模合計可達47.1億美元,相比2020年7.3億美元CAGR為45%。增長率雖高,但對比納微2026年超過200億美元市場的預測,相隔一年預測值卻有著高達5倍以上的差別。

納微認為,氮化鎵擁有龐⼤的市場潛能,2020年矽功率半導體的市場規模為90億美元,估計2026年增⾄130億美元。氮化鎵市場有望每年成⻑兩倍,2026年市值達到20億美元,占整體功率晶片市場的16%。此外,納微也⽣產⾞載充電器(onboard charger),速度是⼀般電動⾞充電器的3倍,相關技術並能協助太陽能⾯板更為普及。

主要廠商

納微

於2021 年預估在氮化鎵產品市占率可占到29%的納微(美股代碼:NVTS),這是⼀家⼩型但成⻑快速的美商半導體設計公司,是氮化鎵市占第⼀名的公司,它的主要代⼯廠就是台積電。

在電動汽車領域,納微的客戶包括比亞迪(美股代碼:BYDDY)、路虎(未上市)、梅賽德斯(美股代碼:DMLRY)、吉利(美股代碼:GELYF)等數十家巨頭。除了電動汽車,納微還在太陽能和儲能以及鐵路、電網、工業電機等更廣泛的工業市場擁有不少的大型的客戶。

其它廠商

氮化鎵第⼆名到第四名的廠商分別為Power Integrations(美股代碼:POWI)、英諾賽科(中國⼤陸公司)及EPC等。

氮化鎵
credit: epc-co

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