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自去年以來，氮化鎵（GaN）功率半導體市場可謂熱鬧非凡。英飛凌、瑞薩電子、格芯等頭部大廠紛紛開始并購GaN技術公司，強化在GaN領域的技術儲備。雖然GaN在快充領域應用已經(jīng)日漸成熟，但隨著新興產(chǎn)業(yè)如電動汽車、人工智能、機器人等逐漸發(fā)展，對更高功率更低能耗的要求，將促發(fā)氮化鎵器件逐漸取代傳統(tǒng)硅基器件，氮化鎵在這些高價值場景的商業(yè)化應用漸次鋪開，也因此驅使半導體大廠在氮化鎵領域紛紛積極布局。
GaN有何優(yōu)勢？
作為第三代半導體的代表，氮化鎵（GaN）是由氮和鎵組成的極其穩(wěn)定的化合物半導體，也稱為寬禁帶半導體材料，具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的導熱效率、高電子漂移速度和遷移率、更低的導通電阻，可以實現(xiàn)優(yōu)異的散熱性能、更低的能耗、更小的器件體積。
在制造方面，GaN晶體可以在各種襯底上生長，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上進行GaN外延層生產(chǎn)可以使用現(xiàn)有的硅制造設施，從而無需使用高成本的特定生產(chǎn)設施，而且可采用低成本、大直徑的硅晶片。
氮化鎵的這些特性，使其可以廣泛應用于高功率器件、5G射頻、微波電子器件、發(fā)光二極管（LED）領域，相比硅基器件、乃至第二代半導體材料（比如砷化鎵GaAs）擁有更出色的性能優(yōu)勢。
GaN行業(yè)掀起并購潮，未來或出現(xiàn)更多整合
近年來，氮化鎵技術的價值越發(fā)受到半導體廠商的重視，開始積極參與該領域的競爭，期望通過布局抓住功率器件新的增長契機。
2023年3月，英飛凌宣布將以8.3億美元收購加拿大GaN技術廠商GaN Systems，雙方已簽署最終協(xié)議。這也是目前為止行業(yè)內(nèi)金額最大的一筆收購。英飛凌還將斥資20億歐元擴大在馬來西亞居林和奧地利菲拉赫工廠的氮化鎵和碳化硅芯片的產(chǎn)能。英飛凌功率和傳感器系統(tǒng)總裁懷特表示，英飛凌特別看好氮化鎵（GaN）芯片。該公司預測，到2027年，氮化鎵芯片市場將以每年56%的速度增長。
2024年6月20日，汽車芯片大廠瑞薩電子宣布已完成對GaN功率半導體全球供應商Transphorm的收購。根據(jù)協(xié)議，瑞薩子公司將以每股5.10美元現(xiàn)金收購Transphorm所有已發(fā)行普通股，該公司估值約為3.39億美元。隨著收購的完成，瑞薩電子將立即開始提供基于GaN的功率產(chǎn)品和相關參考設計，以滿足對寬禁帶半導體產(chǎn)品日益增長的需求。
2024年7月，晶圓代工大廠格芯（GlobalFoundries）宣布收購Tagore Technology的功率GaN技術及知識產(chǎn)權組合，后者的工程師團隊將加入格芯。格芯表示，此次收購擴大了公司的電源IP產(chǎn)品組合，并拓寬GaN IP的獲取渠道。
行業(yè)內(nèi)普遍認為，未來氮化鎵企業(yè)將更多轉向IDM模式，即覆蓋從設計到制造的全產(chǎn)業(yè)流程，從而更好借助規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)協(xié)同的效應推動商業(yè)化發(fā)展。這也意味著，半導體大廠如果想要盡快開展相關布局，最佳的方法即是整合現(xiàn)有成熟GaN功率半導體企業(yè)，借助已有專利和成熟產(chǎn)品迅速進入該領域。
GaN市場前景廣闊，多種場景全面“開花”
行業(yè)內(nèi)的并購興起，一定程度上也反映出半導體大廠對氮化鎵技術應用前景看好。早在2010年3月，EPC就交付了第一款商用eGaN FET。目前，氮化鎵已經(jīng)在智能手機、家電等消費電子市場領域擁有較高滲透率，正在加速向高功率的工業(yè)、服務器及汽車市場發(fā)展。
自2023年生成式人工智能（AI）爆發(fā)以來，AI服務器的需求大漲。而高性能的AI服務器也對服務器電源功率密度、能效提出了更高的要求。
數(shù)據(jù)中心采用GaN功率器件不僅可以實現(xiàn)更高功率規(guī)格，更可以減少功率轉換中帶來的能耗，據(jù)估計，如果現(xiàn)在全球采用硅器件的數(shù)據(jù)中心都升級為氮化鎵器件，那么全球數(shù)據(jù)中心的能源浪費將減少30至40%，相當于減少了1.25億噸的二氧化碳排放。
另外，人形機器人由于運動模式更為復雜，它的電機驅動需要更高的功率密度、效率和響應速度，氮化鎵能夠更好地滿足這些需求。
正因如此，多家氮化鎵廠商如TI、英飛凌以及EPC等推出了針對AI服務器和人形機器人的產(chǎn)品。例如EPC已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)上累計了數(shù)十億小時的現(xiàn)場經(jīng)驗，針對數(shù)據(jù)中心推出了40余款產(chǎn)品，幫助工程師減少產(chǎn)品的上市時間和開發(fā)成本。今年4月，EPC推出了針對機器人領域電機驅動的EPC9193，幫助實現(xiàn)更高精度的控制以及更大的扭矩。
電動汽車是另外一個氮化鎵大有可為的市場。隨著汽車電動化、自動駕駛等技術的發(fā)展，汽車對于功率器件的轉換效率要求也越來越高，而電池系統(tǒng)從400V平臺向800V平臺遷移，也帶動了眾多汽車功率器件開始轉向具備更耐高壓、更高功率的材料。
雖然目前電動汽車大多在高壓場景下應用碳化硅器件，但是氮化鎵在速率和效率方面相對于碳化硅具有顯著優(yōu)勢。特別是在高頻應用方面，氮化鎵因為具有較高的電子遷移率和較低的損耗而表現(xiàn)出色。因而在電動汽車內(nèi)優(yōu)勢領域與碳化硅呈現(xiàn)互補態(tài)勢。
EPC聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Alex Lidow認為，氮化鎵技術將主要在以下四個方面推動車載系統(tǒng)的發(fā)展，也即車載信息娛樂系統(tǒng)DC-DC轉換、無刷直流汽車電機、激光雷達、以及48V輕混動力（MHPV）汽車。作為率先開發(fā)出車規(guī)級氮化鎵技術的企業(yè)之一，EPC在去年2月就推出了80V、通過AEC-Q101認證的GaN FET EPC2252，為設計人員提供比硅基MOSFET更小和更高效的解決方案，可用于車規(guī)級激光雷達、48V/12V DC/DC轉換和低電感電機驅動器。
作為MOSFET技術的共同發(fā)明者，Alex 表示硅基器件已經(jīng)走到了技術極限，而新興的氮化鎵技術則來到了發(fā)展的臨界點，工程師在已經(jīng)成熟的應用場景當中認識到了氮化鎵的價值，從而推動氮化鎵進入更多領域。
市場研究機構Yole Group 的報告《功率氮化鎵（2024 年版）》預計，得益于氮化鎵在汽車和服務器等高端應用場景中的應用，到 2029 年功率GaN市場規(guī)模將超過 25 億美元。
面對需求興起帶來的商機，GaN廠商顯然也在采取行動，通過各種技術路線抓住機會，滿足市場需求。據(jù)悉，本月底在深圳舉辦的PCIM Asia 2024將會匯聚包括長飛先進半導體、英飛凌、EPC等國內(nèi)外一線GaN廠商，他們將展出最新的產(chǎn)品組合，同時揭示氮化鎵領域的最新趨勢。PCIM是專注電力電子器件產(chǎn)業(yè)鏈的世界級綜合性展會。EPC屆時將展出最新一代的GaN FET和IC，作為業(yè)內(nèi)全面的基于氮化鎵的電力轉換解決方案，其產(chǎn)品涵蓋了針對AI服務器、自動駕駛以及人形機器人場景等的應用。英飛凌則將通過3大展區(qū)（綠色能源與工業(yè)、電動交通和電動出行、高能效與智能家居）展示120多件展品。
編輯：芯智訊-浪客劍
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