投資熱錢不斷湧入 GaN市場2013年起飛
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| Yole Developpement資深經理Philippe Roussel |
雖然氮化鎵(GaN)功率半導體(Power Device)還在商業化初期階段，但其長期發展潛力卻已顯露無遺，在近3年多來吸引至少8,800萬美元的投資(圖1)，足見GaN元件未來將大有可為。目前GaN元件主要發展業者–國際整流器(IR)及宜普(EPC)，已紛紛宣稱其產品效能受得市場青睞，預計2012∼2013年將成GaN市場起飛年。
挑戰SiC市場地位 GaN功率元件聲勢大漲
自2011年以來，50∼250伏特(V)負載點(Point-of-load)及高階功率元件的市場需求不斷高漲，而目前新的GaN元件規格已能符合此一耐壓區間，將藉更優異的材料特性，快速在市場上崛起。
現在是一個追求產品效能的時代，GaN可為各種ICT設備帶來新的功能優勢，未來一半以上的營收將來自資訊及消費型產業，且能長久持續下去。
與此同時，近期投資者對GaN半導體材料特性已展現濃厚興趣，但須先有辦法真正降低產品成本，才有資格談投資成本的完全回收。
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| 圖1 2009∼2011年功率半導體商已投入大量資金開發GaN元件 |
供給電晶體及電閘剩餘需求應用的峰值電壓(Peak Voltage)約為1,200伏特，在此電壓下，GaN元件可在成本低廉的矽基板上帶來更多應用價值，而受到市場歡迎。相反的，GaN難在4.5或6.5kV應用領域受到關注，因須採用相當大量的GaN做為基板，花費相當昂貴的開發成本。
然而，在1,200伏特應用領域中，GaN將面臨另一種寬能隙(Wide-bandgap)半導體材料–碳化矽(SiC)的競爭，因為SiC可在相似的高溫下操作，也具有電子可移動的優勢，導致與GaN的應用重疊。因此，在與SiC具備差不多效能的前提下，GaN成本須降低約40%的幅度才有優勢。隨著600伏特GaN功率元件即將上市，預計可在太陽能逆變器(PV Inverter)市場有所發揮，但後續則將面臨與SiC既有地位抗衡的難題。
位於加州聖塔芭芭拉南邊Goleta市的Transphorm，是其中一家面臨這項挑戰的公司。其已藉由美國能源部計畫推助，進一步與位於加州索羅馬區Petaluma市的微逆變器(Microinverter)製造商–Enphase Energy結盟，積極加碼投資GaN研發。
儘管目前對GaN在逆變器方面應用的討論並不多，但其發展已漸趨成熟，很有可能威脅SiC的地位。其實，目前處於測試或正在銷售內含SiC元件的逆變器業者，均已相繼投入發展GaN技術。因此，600伏特GaN元件未來將會在逆變器領域扮演相當重要的角色，延續其在電源供應及電動車(EV)方面銳不可擋的發展氣勢。
市場前景可期 GaN吸引一窩蜂投資熱潮
市場前景可期 GaN吸引一窩蜂投資熱潮
在GaN市場上，Transphorm無疑是投資人的關注焦點，該公司從2009年開始，已陸續從Google創投及索羅斯基金管理(Soros Fund Management)獲得高達6,300萬美元的資金挹注，這也顯示出市場對GaN倍感興趣。
由於大量熱錢進入市場，也促成不少GaN新進業者冒出頭來搶市，包含位於比利時Hasselt的磊晶業者–EpiGaN，以及位於加拿大渥太華的無晶圓廠(Fabless)業者–GaN Systems等；另外，設立於美國加州聖荷西的整合電路與元件供應商–包爾英特(Power Integrations)也透過購併紐澤西桑莫塞郡的GaN半導體商–Velox，積極切入市場。
不僅如此，英飛凌(Infineon)亦從艾司強(Aixtron)採購有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)設備，進一步將GaN半導體材料沉積在矽基板上，成功跨足該領域；而韓國樂金(LG)也採用相似手法展開布局。
另外，三星(Samsung)也在嘗試研發矽基GaN為主的功率半導體；日本三肯(Sanken)也預計在2012年底∼2013年，與Panasonic及古河(Furukawa)等大廠聯手量產GaN元件。其他計畫進入GaN開發的業者還包括荷蘭的恩智浦(NXP)半導體，以及總部位於瑞士日內瓦的意法半導體(ST)。
一般來說，發展與測試一種新半導體材料的時間相當長，但隨著世界各地大廠紛紛投入，很有可能在未來2∼3年內就大量出現商用化的GaN產品。
上述大廠的加入無疑對GaN元件的發展注入一劑強心針，然而，在產品認證階段時，是否能符合目標應用需求，卻使這些公司面臨營收成長緩慢的挑戰。在驗證階段，業者主要販賣相當高價的GaN元件，無法突顯市場價值，但此一價格僅限於該階段，實際上與未來2∼3年內商用量產的價格一定相差甚多。舉例而言，矽基GaN磊晶目前單位價格跟往後在市場上的預估價格相比，便顯得相當昂貴。
雖業界均看好GaN元件可提升電源轉換效率，但仍面臨諸多生產挑戰。目前最關鍵的變數在於如何降低量產成本，也就是如何改善現有的6吋晶圓技術或直接跳到8吋，到頭來都與業者的商業及生產模式有關(圖2)。
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| 圖2 各家功率半導體商GaN元件生產模式與進度分析 |
舉例來說，國際整流器正全力進行更完善的生產設備整合；而意法半導體或恩智浦則藉由購買磊晶，並以慣用的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程生產，不須自行製作磊晶。此即回到營運模式與企業定位的問題，將反映成本結構上的差異，但目前很難進行比較。
半導體商加緊研發GaN 2013年市場將顯著起飛
與成本結構的發展情形相同，GaN元件結構也會因技術整合方式不同，而有所差異，國際整流器與宜普目前都採取逆向工程方式，將1∼1.5微米(μm)厚的GaN磊晶層鍍在矽基板上；至於EpiGaN與位於德國馬德堡專門製造磊晶的Azzurro半導體，則宣稱可供應5∼7微米厚的GaN層。後者將一舉改變生產GaN元件的方式，若以崩潰電壓為主要訴求更是如此。
除上述廠商以外，目前會另行採購磊晶製作GaN功率元件的通常是無晶圓廠公司，例如加拿大的GaN Systems、美國南卡羅萊納州的Nitek，以及德國柏林的BeMiTec。這些公司的共通處是規模較小，由此可見，對磊晶業者來說GaN市場的前景並不明朗。
國際整流器與宜普現在GaN市場取得領先，且皆已推出商用產品，不過，截至目前為止，來自GaN元件的營收還是相當低。也因此，宜普現正嘗試與位於明尼蘇達州的元件批發商Digi-Key接洽，期拓展銷售管道。
這些業者已達成100萬或500萬美元的營收嗎？事實並不然，初估營收金額約略落在30萬美元左右；而GaN整體市場產值，在2011年約為250萬美元左右。此一情況在2012年可望改變，除國際整流器與宜普之外，至少還會有一到兩家新進廠商一起創造大量營收，促進GaN產值在今年底可望超過1,300萬美元，並於2013年開始迅速成長，預期會有高達5,000萬美元的市場需求。
雖然歐債危機可能對此發展埋下變因，但GaN的開發已勢在必行，也許在全球總體經濟不振的情況下，數量會比預期低，但因還未進入量產，因此不足以造成巨大影響。
在此同時，矽基GaN的發光二極體(LED)技術也正逐漸發揮影響力，將吸引更多功率元件採用相似構造。由於與功率電子相比，LED領域對GaN更加熟悉，故驗證期相對較短，一旦矽基GaN的LED技術發展成熟，也將帶動電源供應領域導入矽基GaN功率半導體的發展。
2013年後，國際整流器和恩智浦的50∼250伏特GaN元件技術將更臻成熟，並大量進駐資訊及消費型應用設備，引爆龐大的GaN元件商機。特別是愈來愈多業者的50∼250伏特或600伏特GaN逐漸通過驗證，市場也將顯著成長，營收將在2015年達到3億美元，並可望在2020年前突破10億美元大關。
