氮化鎵：開啟終極半導體商業(yè)化革命

　　上海PCIM Asia展會現(xiàn)場，氮化鎵系統(tǒng)公司(GaN Systems)聯(lián)合創(chuàng)始人兼總裁Girvan Patterson手持一塊用于服務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(tǒng)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，在光電子器件和微電子器件領域市場前景廣闊。“目前全球功率轉化器件每年約有150億美元的市場規(guī)模，而氮化鎵可以直接替代的市場至少可達20%，這還不包括尚待發(fā)展的領域，比如電動汽車等新興潛力市場。”Girvan Patterson說。

　　半導體功率轉化器件是現(xiàn)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、電動汽車等領域。相關行業(yè)專家預測認為，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(nèi)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社會的節(jié)能降耗具有重要意義，而氮化鎵器件很可能成為推動整個電子電力效率提升的關鍵動力之一。

　　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和發(fā)展。從過往歷史看，大約每20年左右會出現(xiàn)一種新型功率三極管，而技術變革會讓行業(yè)內(nèi)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，簡稱IR)的HEXFET為代表的MOSFET占領了功率半導體器件的舞臺，成為一個幾十億美金銷售的產(chǎn)品品類;2000年，德國英飛凌公司(Infineon Technologies)推出超結MOS管，憑借顯著的性能提升，成為市場領導者，2014財年營收達43.2億歐元。去年8月，英飛凌公司以30億美元現(xiàn)金收購IR，進一步整合功率半導體器件市場。

　　從技術角度看，氮化鎵器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場主流的硅基半導體器件均有顯著數(shù)量級的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵器件的開關頻率可以高出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(tǒng)成本可以大幅降低。

　　近兩年來，全球相關行業(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(nèi)量產(chǎn)氮化鎵器件，首先應用于服務器電源裝置，以此將耗電量降低到原先的一半左右。

　　2014年，氮化鎵系統(tǒng)公司成為全球最早實現(xiàn)氮化鎵晶體管器件規(guī)?；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到商業(yè)化量產(chǎn)的公司仍然屈指可數(shù)，包括EPC、英飛凌、Transphorm等公司。“這將是一個長期發(fā)展的市場，除了高技術門檻的壁壘外，整個生態(tài)鏈的發(fā)展需要時間，”Girvan Patterson解釋，“功率器件的變化要求整個電路板設計的變化，不同領域對于這一變化的接受程度和調(diào)整周期各不相同。”

　　氮化鎵系統(tǒng)公司的技術和創(chuàng)始人團隊成員源于北電網(wǎng)絡公司(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(jié)能，公司發(fā)展過程中獲得加拿大政府的大量資金資助。在實現(xiàn)原形產(chǎn)品后，2011年公司獲得首筆風險投資。通過對氮化鎵襯底材料的技術突破，氮化鎵系統(tǒng)公司實現(xiàn)了硅基氮化鎵器件規(guī)模化生產(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(guī)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(tǒng)成本則會遠低于硅器件。”Patterson稱。

　　與投資動輒數(shù)億美元的傳統(tǒng)半導體廠商不同，氮化鎵系統(tǒng)公司選擇了“小而美”的無晶圓廠半導體公司的發(fā)展模式，目前全公司僅有40名左右的員工。“傳統(tǒng)半導體工廠轉向氮化鎵器件生產(chǎn)的門檻并不高。”Patterson說。自去年量產(chǎn)以來，其全球客戶已快速增至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驗室，在臺灣代工生產(chǎn)、歐洲封裝，銷售市場遍及全球。”Patterson介紹。

　　在融資方面，氮化鎵系統(tǒng)公司也體現(xiàn)出“全球化”特色。今年5月，氮化鎵系統(tǒng)公司完成2,000萬美元的最新一輪融資，而長期專注于清潔能源和能效技術的中國風險投資企業(yè)青云創(chuàng)投是共同領投。“中國是全球最大、增長最快的功率電子區(qū)域市場，氮化鎵系統(tǒng)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(Island Technology®)是讓氮化鎵系統(tǒng)公司高速成長的關鍵因素。“島技術可以讓我們像搭樂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，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。

　　目前，氮化鎵系統(tǒng)公司把氮化鎵晶體管的目標市場鎖定在消費電子、商業(yè)、工業(yè)和汽車四大主要領域。消費電子企業(yè)對氮化鎵晶體管可能帶來的革命非常敏感，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)會對價格更敏感，而事實上他們更在乎能否更快地讓更薄電視機、更高能效的空調(diào)等差異化競爭的產(chǎn)品走向市場，”Patterson說，“消費電子行業(yè)的產(chǎn)品更新周期通常為6到18個月，這大大提升了新技術電子部件的更替速度。”

　　在商業(yè)方面，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展讓服務器電源市場變得興旺蓬勃。據(jù)Patterson透露，目前中國市場中，數(shù)據(jù)中心的服務器電源用戶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(shù)據(jù)中心的電力消耗。在工業(yè)方面，氮化鎵系統(tǒng)公司十分看重中國潛力巨大的光伏逆變器市場。“我們在中國市場布局還不到半年，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)領導者成為我們的客戶。”氮化鎵系統(tǒng)公司亞太地區(qū)營銷總監(jiān)Charles Bailley透露。

　　汽車市場，尤其是電動汽車市場是高效率功率轉化器件前景最為廣闊的待開發(fā)市場。氮化鎵晶體管應用在電動汽車領域，通過大幅提升能量轉化效率更高而使得讓汽車減少電池使用，既能減輕汽車重量，又能降低汽車成本。“當然，汽車的設計開發(fā)周期通常為3至5年，因此氮化鎵晶體管在汽車市場的大規(guī)模應用仍需時日。”Patterson認為。

　　今年65歲的Patterson是在電子通訊領域經(jīng)驗豐富的連環(huán)創(chuàng)業(yè)者。從1981年開始創(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)是這么多年來讓我最為興奮的一次，我們有可能改變這個行業(yè)的未來，成為行業(yè)領導者，”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!”