氮化鎵：開(kāi)啟終極半導體商業(yè)化革命

　　上海PCIM Asia展會(huì )現場(chǎng)，氮化鎵系統公司(GaN Systems)聯(lián)合創(chuàng )始人兼總裁Girvan Patterson手持一塊用于服務(wù)器電源的集成電路板展示：“由于使用氮化鎵晶體管器件，這塊電路板的尺寸縮小到了原先的1/4。更為重要的是，它在性能、能源效率、系統成本等方面相比當下主流的硅基功率電子元件有了跨越式提升。”

　　被稱(chēng)為“終極半導體材料”的氮化鎵研究和應用是全球半導體研究的前沿和熱點(diǎn)，在光電子器件和微電子器件領(lǐng)域市場(chǎng)前景廣闊。“目前全球功率轉化器件每年約有150億美元的市場(chǎng)規模，而氮化鎵可以直接替代的市場(chǎng)至少可達20%，這還不包括尚待發(fā)展的領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車(chē)等新興潛力市場(chǎng)。”Girvan Patterson說(shuō)。

　　半導體功率轉化器件是現代電子工業(yè)極其重要的基礎組成部件，被廣泛應用于消費電器電子產(chǎn)品、工業(yè)和企業(yè)、清潔能源、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。相關(guān)行業(yè)專(zhuān)家預測認為，需要轉化的電力(交流轉直流，直流轉直流，直流轉交流等等)將在20年內從目前的30%提升到80%。所以半導體功率轉化效率的提升對整個(gè)社會(huì )的節能降耗具有重要意義，而氮化鎵器件很可能成為推動(dòng)整個(gè)電子電力效率提升的關(guān)鍵動(dòng)力之一。

　　順應終端產(chǎn)品更小型、更輕薄、能效更高、成本更低的趨勢需求，功率半導體器件也在不斷以此方向改進(jìn)和發(fā)展。從過(guò)往歷史看，大約每20年左右會(huì )出現一種新型功率三極管，而技術(shù)變革會(huì )讓行業(yè)內誕生一些并不為公眾熟知的巨頭公司。

　　上世紀90年代，美國國際整流器公司(International Rectifier，簡(jiǎn)稱(chēng)IR)的HEXFET為代表的MOSFET占領(lǐng)了功率半導體器件的舞臺，成為一個(gè)幾十億美金銷(xiāo)售的產(chǎn)品品類(lèi);2000年，德國英飛凌公司(Infineon Technologies)推出超結MOS管，憑借顯著(zhù)的性能提升，成為市場(chǎng)領(lǐng)導者，2014財年營(yíng)收達43.2億歐元。去年8月，英飛凌公司以30億美元現金收購IR，進(jìn)一步整合功率半導體器件市場(chǎng)。

　　從技術(shù)角度看，氮化鎵器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場(chǎng)主流的硅基半導體器件均有顯著(zhù)數量級的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵器件的開(kāi)關(guān)頻率可以高出1000倍;能量損耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系統成本可以大幅降低。

　　近兩年來(lái)，全球相關(guān)行業(yè)巨頭也紛紛增加對氮化鎵器件的研發(fā)和商業(yè)化投入。今年5月，松下電器半導體有限公司(panasonic Semiconductor Solutions)宣布將于2016年在日本國內量產(chǎn)氮化鎵器件，首先應用于服務(wù)器電源裝置，以此將耗電量降低到原先的一半左右。

　　2014年，氮化鎵系統公司成為全球最早實(shí)現氮化鎵晶體管器件規?；慨a(chǎn)的公司之一。雖然前景廣闊，但目前全球將氮化鎵器件推進(jìn)到商業(yè)化量產(chǎn)的公司仍然屈指可數，包括EPC、英飛凌、Transphorm等公司。“這將是一個(gè)長(cháng)期發(fā)展的市場(chǎng)，除了高技術(shù)門(mén)檻的壁壘外，整個(gè)生態(tài)鏈的發(fā)展需要時(shí)間，”Girvan Patterson解釋?zhuān)?ldquo;功率器件的變化要求整個(gè)電路板設計的變化，不同領(lǐng)域對于這一變化的接受程度和調整周期各不相同。”

　　氮化鎵系統公司的技術(shù)和創(chuàng )始人團隊成員源于北電網(wǎng)絡(luò )公司(Nortel)，Nortel是全球首家把氮化鎵器件用于商業(yè)化射頻應用的公司。由于項目涉及節能，公司發(fā)展過(guò)程中獲得加拿大政府的大量資金資助。在實(shí)現原形產(chǎn)品后，2011年公司獲得首筆風(fēng)險投資。通過(guò)對氮化鎵襯底材料的技術(shù)突破，氮化鎵系統公司實(shí)現了硅基氮化鎵器件規?；a(chǎn)的能力，并以此極大降低了氮化鎵晶體管的生產(chǎn)成本。“目前氮化鎵晶體管的成本仍然是硅器件的3倍，但我們預計到2017年、2018年大規模生產(chǎn)后，它的成本將與硅晶體管器件相當，而產(chǎn)品的綜合系統成本則會(huì )遠低于硅器件。”Patterson稱(chēng)。

　　與投資動(dòng)輒數億美元的傳統半導體廠(chǎng)商不同，氮化鎵系統公司選擇了“小而美”的無(wú)晶圓廠(chǎng)半導體公司的發(fā)展模式，目前全公司僅有40名左右的員工。“傳統半導體工廠(chǎng)轉向氮化鎵器件生產(chǎn)的門(mén)檻并不高。”Patterson說(shuō)。自去年量產(chǎn)以來(lái)，其全球客戶(hù)已快速增至300多家。“我們從誕生起就是一家全球化公司，核心研發(fā)在北美以及全球各地的實(shí)驗室，在臺灣代工生產(chǎn)、歐洲封裝，銷(xiāo)售市場(chǎng)遍及全球。”Patterson介紹。

　　在融資方面，氮化鎵系統公司也體現出“全球化”特色。今年5月，氮化鎵系統公司完成2,000萬(wàn)美元的最新一輪融資，而長(cháng)期專(zhuān)注于清潔能源和能效技術(shù)的中國風(fēng)險投資企業(yè)青云創(chuàng )投是共同領(lǐng)投。“中國是全球最大、增長(cháng)最快的功率電子區域市場(chǎng)，氮化鎵系統公司提供了應用廣泛的功率半導體器件，與青云的受資公司有很強的協(xié)同效應，尤其是在提高能效和小型化方面。”青云創(chuàng )投管理合伙人李立偉表示。

　　獨創(chuàng )的島技術(shù)(Island Technology®)是讓氮化鎵系統公司高速成長(cháng)的關(guān)鍵因素。“島技術(shù)可以讓我們像搭樂(lè )高積木一樣制造不同電壓、功率的氮化鎵晶體管，因此針對不同行業(yè)的不同客戶(hù)，我們可以提供最寬泛的產(chǎn)品選擇，這是競爭對手做不到的。”Patterson說(shuō)。

　　目前，氮化鎵系統公司把氮化鎵晶體管的目標市場(chǎng)鎖定在消費電子、商業(yè)、工業(yè)和汽車(chē)四大主要領(lǐng)域。消費電子企業(yè)對氮化鎵晶體管可能帶來(lái)的革命非常敏感，并最先引入商業(yè)化應用。“這有些出乎我們之前的意料——我們原以為消費電子企業(yè)會(huì )對價(jià)格更敏感，而事實(shí)上他們更在乎能否更快地讓更薄電視機、更高能效的空調等差異化競爭的產(chǎn)品走向市場(chǎng)，”Patterson說(shuō)，“消費電子行業(yè)的產(chǎn)品更新周期通常為6到18個(gè)月，這大大提升了新技術(shù)電子部件的更替速度。”

　　在商業(yè)方面，數據中心的發(fā)展讓服務(wù)器電源市場(chǎng)變得興旺蓬勃。據Patterson透露，目前中國市場(chǎng)中，數據中心的服務(wù)器電源用戶(hù)正非常踴躍積極的采納氮化鎵晶體管器件，以此大幅降低數據中心的電力消耗。在工業(yè)方面，氮化鎵系統公司十分看重中國潛力巨大的光伏逆變器市場(chǎng)。“我們在中國市場(chǎng)布局還不到半年，目前發(fā)展狀況超出此前預期，預計今年底至少將有40家行業(yè)領(lǐng)導者成為我們的客戶(hù)。”氮化鎵系統公司亞太地區營(yíng)銷(xiāo)總監Charles Bailley透露。

　　汽車(chē)市場(chǎng)，尤其是電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)是高效率功率轉化器件前景最為廣闊的待開(kāi)發(fā)市場(chǎng)。氮化鎵晶體管應用在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，通過(guò)大幅提升能量轉化效率更高而使得讓汽車(chē)減少電池使用，既能減輕汽車(chē)重量，又能降低汽車(chē)成本。“當然，汽車(chē)的設計開(kāi)發(fā)周期通常為3至5年，因此氮化鎵晶體管在汽車(chē)市場(chǎng)的大規模應用仍需時(shí)日。”Patterson認為。

　　今年65歲的Patterson是在電子通訊領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的連環(huán)創(chuàng )業(yè)者。從1981年開(kāi)始創(chuàng )業(yè)至今，Partterson已經(jīng)完成了4家公司的IPO。“氮化鎵晶體管的革命必然是顛覆性的，這次創(chuàng )業(yè)是這么多年來(lái)讓我最為興奮的一次，我們有可能改變這個(gè)行業(yè)的未來(lái)，成為行業(yè)領(lǐng)導者，”Patterson一改此前工程師的口吻，頗為興奮地笑道，“我真希望再年輕20歲!”