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                            全球功率GaN產業鏈七大版塊及代表廠商一覽
                            來源:半導體行業觀察 日期:2019-04-22 瀏覽次數:5230

                            在電源管理領域,隨著應用對高壓和高性能的要求逐步提升,GaN(氮化鎵)越來越受到重視。從理論的角度來看,GaN提供了超越傳統硅MOSFET的技術優勢。盡管目前的功率GaN市場與32.8億美元的硅電源管理市場相比顯得微不足道,但GaN器件正在向各應用領域滲透,例如,LiDAR,這是高端應用,可充分利用功率GaN的高頻開關特性。據Yole Développement預測,到2023年,功率GaN市場規模將達到4.23億美元,復合年增長率(CAGR)為93%。


                            目前來看,功率GaN最大的應用場景仍然是電源,如手機的快速充電。2018年,Navitas和Exagan公司就推出了帶集成GaN解決方案的45W快速充電電源適配器。


                            以蘋果為代表的智能手機巨頭們也對GaN的應用潛力高度關注,如果像蘋果這樣的公司采用GaN,許多其他公司將會跟進,使得該市場具有極大的發展空間。


                            在電動汽車市場,GaN的參與廠商,如EPC和Transphorm,已經獲得汽車認證,正在為GaN的潛在增長做準備。


                            功率GaN產業鏈


                            自商用功率GaN器件首次發布以來,已過去8年,有越來越多的企業進入該產業鏈,如EPC、GaN Systems、Transphorm、Navitas等。這些初創企業中的大多數都選擇代工模式,主要使用臺積電(TSMC)、Episil或X-fab作為他們的首選合作伙伴,在此基礎上,會有越來越多的代工廠提供這項服務。


                            與此同時,功率器件行業巨頭,如英飛凌,安森美半導體,意法半導體,松下和德州儀器等,也在過去的幾年里,特別是2018年啟動了新的GaN項目,引起了業界的普遍關注,例如:


                            1、英飛凌于2018年底開始批量生產CoolGaN 400V和600V電子模式HEMT產品;


                            2、意法半導體和CEA Leti宣布合作開發基于200mm晶圓的二極管和晶體管GaN-on-Si技術,并期望在2019年驗證工程樣品。同時,意法半導體將創建一條產線,用于生產GaN -on-Si異質外延等產品,將于2020年在法國的前端晶圓廠投產。



                            這里簡單解釋一下外延(Epitaxy,簡稱Epi)工藝,是指在單晶襯底上生長一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料,外延層可以是同質外延層(Si/Si),也可以是異質外延層(SiGe/Si 或SiC/Si等)。實現外延生長有很多方法,包括分子束外延(MBE),超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD),常壓及減壓外延(ATM & RP Epi)等。


                            由于功率GaN屬于新興產業,整個產業鏈還處于發展初期,并不成熟,但基于原有的功率技術和產業功底,產業鏈也已經基本成型,相關企業也都在各自的領域磨刀霍霍,準備迎接功率GaN市場的爆發。


                            縱觀整個功率GaN產業鏈,可以大致劃分為七大版塊,每部分都有相應的供應商,分別是:硅襯底供應商,硅基GaN外延片供應商,功率GaN器件代工廠(外延+器件制造),器件設計+GaN外延制造,Fabless(器件和外延設計),純代工廠,IDM。


                            下面我們就逐一介紹一下這七大版塊中的代表企業。


                            硅襯底供應商


                            德國世創(Siltronic)


                            全球第四大硅晶圓廠商,總部位于德國慕尼黑,該公司在德國擁有150/200/300mm晶圓產線,在美國有一座200mm的晶圓廠,在新加波則擁有200mm和300mm產線。  


                            日本信越化學(Shin-Etsu)


                            全球集成電路用硅片制造商巨頭。信越化學工業株式會社作為一家原材料生產商,從50年前推出有機硅制造和銷售以來,'信越有機硅' 在全世界所開展的最高品質有機硅產品的研究和生產業務取得了良好業績。


                            為了滿足日益擴大的產品要求,'信越有機硅'在日本、美國、荷蘭、中國臺灣、韓國、新加坡以及中國浙江和上海建立了全球范圍的生產和銷售網絡,以較低的成本向客戶提供高效率的服務。


                            日本勝高(Sumco)


                            Sumco集團是世界第二大硅晶圓供應商,其硅襯底產能會直接影響未來的GaN晶圓市場走勢。


                            SunEdison


                            SunEdison前身是始創于1959年的美商休斯電子材料公司(MEMC Electronic Materials Inc.),是全球光伏行業硅材料鼻祖之一,也是全球最大潔凈能源開發商,其資產一度高達百億美元。


                            2016年8月,保利協鑫能源控股有限公司宣布,與SunEdison簽署協議,以約1.5億美元收購后者及其附屬企業SunEdison Products Singapore、MEMCPasadena、Solaicx的相關資產。


                            臺灣合晶(Wafer Works)


                            該晶圓廠通過垂直整合的單晶錠,拋光和Epi晶圓生產線,為客戶提供各種晶圓解決方案。主要產品為半導體硅晶圓材料、太陽能電池用硅晶圓材料與LED產業用的藍寶石基板。


                            硅基GaN外延片供應商


                            NTT AT(日本電信公司研究所)


                            NTT-AT可提供高質量的GaN外延片,確保與IC制造商的設計理念保持一致。此外,該公司通過精確控制外延生長條件,并根據NTT實驗室繼承的專有技術和多年積累的技術保持穩定工藝,不斷致力于減少漏電流和減少塌陷。


                            NTT-AT已經準備了適合研發高均勻性要求和商業產品穩定批量生產的晶圓生產系統。NTT-AT是IC制造商的合作伙伴,可為客戶提供GaN HEMT外延片。


                            日本DOWA


                            是一家化合物半導體供應商,提供用于激光器與傳感器的鎵系列半導體材料、紅光及紅外發光二極管(LED)等產品,并在用于高功率半導體的氮化物半導體,以及用于殺菌設備的深紫外LED等發展潛力較大的領域開發新的產品。


                            IQE(Integrity, quality and expertise)


                            是總部位于英國威爾士加的夫的半導體晶圓產品和經營服務供應商。


                            EpiGaN


                            EpiGan成立于2010年,總部位于比利時東部哈瑟爾特市,是全球知名的微電子產學研中心IMEC的衍生公司,擁有頂尖的團隊和強大的自主研發能力。該公司已經實現了8英寸硅基氮化鎵磊晶圓工業量產,與主流的6英寸產線相比,其生產工藝處于行業先進水平。


                            EpiGaN的主要產品為硅基氮化鎵(GaN-on-Si)和碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)外延片,廣泛應用于5G通訊、高效電力電子、射頻功率、傳感器等領域。主要合作伙伴包括歐洲航天局、博世、英飛凌、IBM、艾默生、OMMIC等知名機構和企業。


                            該公司是歐盟在2018年1月份啟動的為期36個月的歐盟研究項目SERENA(硅基高效毫米波歐洲系統集成平臺)的重要成員。


                            功率GaN器件代工廠(外延+器件制造)


                            EPISIL(漢磊先進投資控股公司)


                            前身為漢磊科技公司,主要業務為功率半導體的晶圓代工。為了強化在功率半導體領域的布局,于2014年10月轉型成立投資控股公司,同時將磊晶及晶圓代工兩個事業部,獨立為兩家子公司。


                            漢磊投控及其子公司全力投入創新技術及產品的開發,GaN及SiC功率半導體元件的開發量產,即是該公司積極投入能源產業的證明。


                            BRIDG


                            擁有8英寸晶圓制造能力,位于美國佛羅里達,專注于智能傳感器,成像器,先進設備和2.5D / 3D芯片集成的先進技術的開發和制造。


                            此外,FUJITSU(富士通)和臺積電也提供功率GaN器件代工(外延+器件制造)服務。


                            器件設計+GaN外延制造


                            Transphorm


                            美國Transphorm是一家設計、生產氮化鎵功率轉換器和模塊的企業。


                            該公司創始人Primit Parish和Umesh Mishra早年創辦并成功運營了一家名為Nitres的GaN LED公司,在Nitres被Cree(科銳)收購后,2007年,兩人便聯合創辦了Transphorm。十年來,Transphorm一直專注于將高壓GaN FET推向市場。致力于為電力電子市場(數據中心服務器、PV轉換器、感應/伺服電機、工業及汽車等商業供電市場)設計、制造和銷售GaN產品。


                            2013年,Transphorm推出了當時業內唯一經過JEDEC認證的GaN器件。2017年3月,又推出了市場上僅有的一款經過AEC-Q101認證的650V車用GaN器件。


                            Exagan


                            在研究機構CEA-Leti 與半導體材料公司Soitec 支持下,Exagan于2014 年創立,致力于加速電力電子產業,從硅為基礎的技術轉移至硅上氮化鎵的技術(GaN-on-silicon technology),以使電能轉換器體積更小、更有效率。


                            Exagan的氮化鎵電源開關設計能在標準200mm 晶圓廠制造,透過強大的供應鏈提供高效能、高可靠度的產品。其G-FETTM 與G-DRIVETM產品線可提供極高效能、極低耗損的電能轉換,大幅增加電能轉換元件的使用效率,并能應用于如太陽能、工業、汽車與通訊等多個領域。 


                            Exagan 的200mm 氮化鎵策略伙伴包含X-FAB Silicon Foundries和國際級研究機構CEA-Leti,品質控管與測試則與TÜV NORD GROUP 合作。


                            Exagan 的主要據點在法國格勒諾布爾(Grenoble)與土魯斯(Toulouse)。


                            Fabless(器件和外延設計)


                            GaN Systems


                            GaN Systems可以設計更小,更低成本,更高效的功率GaN器件。該公司通過改變晶體管性能,可幫助電力轉換客戶企業改變其行業規則,實現共贏。


                            Navitas Semiconductor


                            成立于2014年。


                            如果高開關頻率可以與高能效相結合,則電力系統可以在充電速度,功率密度和成本降低方面實現顯著改善。Navitas通過業界首款GaN功率IC的發明實現了這一革命,該功率IC可將開關速度提高100倍,同時節能40%或更多。該公司名稱Navitas的起源是拉丁語的“能源”。


                            VisIC Technologies


                            總部位于以色列耐斯茲敖那,2010年由一群GaN技術專家創立,旨在開發和銷售基于氮化鎵的先進功率傳喚產品。VisIC已經成功開發了基于氮化鎵的大功率晶體管和模塊。VisIC已經獲得了氮化鎵技術的保護專利,目前還在申請其它專利。


                            VisIC的獨特專有技術是以氮化鎵晶體管知識為基礎,利用GaN模具設計高效和高級封裝,制造性價比高、尺寸小、性能極佳的器件。


                            其ALL-Switch系列是系統級封裝(SIP)開關。在封裝內整合安全功能,導通電阻低,尤其是快速切換性能極佳、占空小。ALL-Switch產品非常適用于對高效率、高功率密度和低成本要求嚴格的應用。


                            宜普電源轉換公司(EPC)


                            EPC是基于增強型氮化鎵的功率管理器件供應商,是首家推出替代功率MOSFET器件的硅基增強型氮化鎵(eGaN)場效應晶體管企業,其目標應用包括直流-直流轉換器、無線電源傳送、包絡跟蹤、射頻傳送、功率逆變器、激光雷達(LiDAR)及D類音頻放大器等,器件性能比硅功率MOSFET器件高出很多。此外,EPC正在擴大基于eGaN的產品線,可為客戶提供進一步節省占板面積、節能及節省成本的解決方案。


                            Dialog


                            總部位于英國倫敦的Dialog半導體公司,于2016下半年,開始向快速充電電源適配器廠商提供GaN電源IC,Dialog公司的企業發展和戰略高級副總裁Mark Tyndall當時表示:“當臺積電開始在6英寸晶圓上提供GaN時,我們發現這是一個信號,說明進入GaN市場的時機成熟了!


                            自那以后,Dialog一直與臺積電合作,致力于將高電壓GaN電源IC和控制器推向市場。Dialog的電源管理IC和數字“RapidCharge”電源轉換控制器相結合,可以提供與現有硅FET相比更高效、尺寸更小、功率密度更高的電源方案。


                            GaNPower International


                            該公司通過整合和利用其在GaN HEMT功率器件設計、控制器和驅動器IC設計,以及電力電子系統設計方面的優勢,正在創建一個垂直整合的設計價值鏈,為客戶提供先進的產品。


                            該公司的產品優勢包括:高開關頻率允許通過降低晶體管成本和使用更小的無源元件來顯著降低制造成本。 這也意味著使用GaN晶體管的電力電子系統可以實現更高的功率密度,體積小,重量輕。

                             

                            此外,GaN材料出色的熱性能允許更小甚至無需散熱器,進一步減小了尺寸和重量,并降低了總成本。

                                       

                            除了以上企業,Tagore Technology也是一家專注于功率GaN的Fabless。


                            純代工廠


                            X-Fab


                            X-Fab的總部設在德國愛爾福特,主要代工生產模擬和混合信號集成電路,以及高壓應用的GaN和SiC解決方案。


                            X-Fab在2017年的銷售額為5.82億美元,2016年的銷售額為5.13億美元。


                            世界先進(VIS)


                            于1994年12月在中國臺灣新竹科學園成立。是特殊工藝IC制造服務的領先廠商。世界先進目前擁有三座八吋晶圓廠,2018年平均月產能約十九萬九千片晶圓。 


                            世界先進充分運用既有技術核心專長,配合產業及市場增長需求,持續增加產品及制程研發投資,在功率器件方面,目前持續研發的制程技術包括高壓制程(High Voltage)、超高壓制程(Ultra High Voltage)、BCD(Bipolar CMOS DMOS)制程、SOI(Silicon on Insulator)等,而功率GaN和SiC也是該公司重點開發的業務版塊。


                            GCS(環宇通訊半導體)


                            1997年成立于美國加利福尼亞,是經過ISO認證的、提供III-V族化合物半導體(砷化鎵、磷化銦、氮化鎵)純專業晶圓制造服務廠商,所制造的產品包括用于無線通訊市場的射頻IC和毫米波電路,以及用于功率電子市場的功率元件等,其中就包括功率GaN代工服務。

                             

                            此外,行業知名的特種工藝晶圓代工廠TowerJazz也提供GaN代工服務。


                            IDM


                            意法半導體(STMicroelectronics,ST)


                            該公司正在將產品組合擴展至GaN領域。去年9月,意法半導體展示了其在功率GaN方面的研發進展,并宣布將建設一條新產線,生產包括GaN-on-Si異質外延在內的產品。


                            該公司于2018年與CEA-Leti展開功率GaN合作,主要涉及常關型GaN HEMT和GaN二極管設計及研發,這將充分發揮CEA-Leti的知識產權和意法半導體的專業知識(Know-how)。ST在位于法國格勒諾布爾的CEA-Leti中試線上研發產品,并在技術成熟后轉移至意法半導體的8英寸量產線(也在法國)。


                            此外,意法半導體還在與MACOM合作研發射頻GaN產品。


                            英飛凌


                            2014年9月,英飛凌以30億美元收購美國國際整流(IR)公司,通過此次并購,英飛凌取得了IR的Si基板GaN功率半導體制造技術。IR于2010年推出了第一批商用化的GaN產品iP2010和iP2011,用于多相和POL的DC-DC轉換器、開關和服務器等。2013年5月,IR開始Si上GaN器件的商業化。


                            2015年3月,英飛凌和松下達成協議,聯合開發采用松下電器的常閉式Si基板GaN晶體管,與英飛凌的表貼(SMD)封裝的GaN器件,推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飛凌授予了使用其常閉型GaN晶體管結構的許可。按照協議,兩家公司均可生產高性能GaN器件。


                            英飛凌于2018年底開始量產CoolGaN 400V和600V增強型HEMT。


                            安森美半導體


                            在功率GaN研發方面,安森美正在與Transphorm合作,共同開發和推廣基于GaN的產品和電源系統方案,用于工業、計算機、通信、LED照明及網絡的各種高壓領域。2017年,兩家公司聯名推出了600 V GaN 級聯結構(Cascode)晶體管NTP8G202N和NTP8G206N,兩款器件的導通電阻分別為290 mΩ和150 mΩ,輸出電容分別為36 pF和56 pF,反向恢復電荷分別為0.029 µC和0.054 µC,采用優化的TO-220封裝,易于根據客戶現有的制板能力集成。


                            基于同一導通電阻等級,該公司第一代600 V硅基GaN器件已比高壓硅MOSFET提供好4倍以上的門極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷,通過繼續改進,未來GaN的優勢將會越來越明顯。


                            德州儀器(TI)


                            TI 的 GaN 系列解決方案集成了高速柵極驅動器、EMI 控制、過熱和過流保護,同時具有 100ns 的響應時間。集成式器件使布局得以優化,能夠最大限度地減少寄生電感、提高 dv/dt 抗擾性 (CMTI),并縮小布板空間。  


                            松下(Panasonic)


                            在GaN開發過程中、Panasonic解決了很多課題。特別是其X-GaN系列,優點突出,主要體現在以下3個方面:安全〈實現常關〉;和Si-MOSFET相同的驅動方法〈不容易壞的柵極〉;易于設計〈無電流崩塌〉。


                            X-GaN采用HD-GIT結構,從小功率到大功率設備,可提供最合適的封裝選擇。小功率提供DFN6x4,中大功率提供DFN8x8,大功率提供PSOP封裝。另外,其所有產品都可采用Kelvin Source,可以把源極寄生電感降到最小,實現高頻穩定工作。


                            結語


                            以上為全球功率GaN產業鏈上的七大版塊及各自的代表企業,從中我們可以看出,功率GaN技術、產品及市場主要還是掌控在美、日、歐企業手中,相對而言,我國本土企業規模和影響力還較小。但在巨大市場發展潛力的帶動下,我國一批功率GaN企業也在奮起直追,并開始逐步填充和健全我國的GaN產業體系。希望在不久的將來能與上面這些跨國企業一爭高下。

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