GaN 良率受限，难以取代 IGBT

氮化镓（GaN）主要是指一种由人工合成的半导体材料，是第三代半导体材料的典型代表， 研制微电子器件、光电子器件的新型材料。氮化镓技术及产业链已经初步形成，相关器件快速发展。第三代半导体氮化镓产业范围涵盖氮化镓单晶衬底、半导体器件芯片设计、制造、封测以及芯片等主要应用场景。

氮化镓应用范围广泛，作为支撑「新基建」建设的关键核心器件，其下游应用切入了「新基建」中 5G 基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域。此外，氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，助力「碳达峰，碳中和」目标实现。

从产业发展来看，全球氮化镓产业规模呈现爆发式增长。据分析机构 Yole 研究显示，在氮化镓功率器件方面，2020 年的整体市场规模为 0.46 亿美元，受消费类电子、电信及数据通信、电动汽车应用的驱动，预计到 2026 年增长至 11 亿美元，复合年均增长率为 70%。值得一提的是，电动汽车领域的年复合增长率高达 185%。在氮化镓射频器件方面，2020 年的整体市场规模为 8.91 亿美元，预计到 2026 年增长至 24 亿美元，复合年均增长率为 18%。

GaN 是否能乘胜追击？

近日，全球电动车大厂特斯拉突然宣布，下一代的电动车传动系统碳化硅用量大减 75%，因借创新技术找到下一代电动车动力系统减少使用碳化硅的方法，也不会牺牲效能。这消息直接冲击全球第三代半导体厂商股价，牵动厂商布局。

GaN Systems 全球业务发展副总裁庄渊棋分析，以 Tesla 欲砍 SiC 达 75% 目标来看，可从其第一、二、三代用量减少幅度来评估，第三代就有机会较第一代减少约 75% 用量，因此，单纯通过 SiC 尺寸缩小来达到目标是有机会的。

Tesla 是率先采用 SiC 的车厂，如今为减少 SiC 用量、若欲混搭成本具竞争力的 IGBT，必须要考量到散热、功率损耗表现递减问题，可能得再添加上冷却系统（Cooling System）才能达到原有的水准。

为了不受 SiC 缺料影响及总成本降低五成的考量，Tesla 说不定也会参考其他车厂的解决方案。例如四驱电动车，前两轮可采 IGBT 或非 SiC，而后两轮维持使用 SiC，同样可以达到降低 SiC 用量。

至于 GaN 是否可乘胜追击，快速颠覆工业、拿下车用领域？庄渊棋说，颠覆的速度难从单一元件厂商视野来评估，尤其车用器件的决定权，在于各不同车厂的设计、成本规划以及车款定位等。

GaN 市场动态整理

目前部分 GaN 厂商宣称已达到九成生产良率，但被客户或竞争对手私下检测时，产品良率仅五成。因此，就整个 GaN 的供应链来说，各供应商产品良莠不齐明显，短期要全面发展起来仍有难度。

庄渊棋分析，SiC、GaN 要在 DC-DC 取代 IGBT 也有一定难度，因为环境要求没有 OBC、马达逆变器端来得严苛，用成本最具竞争力的 IGBT 可以展现相当优越的性价比。

同样在充电桩领域，因为对重量及空间不需锱铢必较，要拔掉成本最具优势的 IGBT 难度也高。

中、高电压的 GaN，相较于小电压的 3C 充电头，在制程上也有不同的挑战仍待克服。简单地说，不同工作环境要求，对元件量产就是新挑战，耐用、稳定性需要完全符合应用端客户要求。
在电动车上目前 GaN 以主流 400V 系统为主，若未来要跨入 800V，也得通过不同层面的认证，整体来看，GaN 要快速扩散至各应用领域，仍有层层关卡待突破。
以此来看，GaN 生产良率、形同 SiC 长晶般难掌控吗？庄渊棋解释，得视个别 GaN 厂商的实力而定。就 GaN 市场来看，不少产品暗藏的缺陷难以立即找到，常在一段时间后才被发现。

所以，供给愈来愈多好的晶粒（Good die）是 GaN 厂商的关键，不论用测试、筛检或任何可行方法来运作，目前多方都在绞尽脑汁寻求最佳解方，以达到不同应用端的要求。