氮化镓：开启终极半导体商业化革命

    上海PCIM Asia展会现场，氮化镓系统公司（GaN Systems）联合创始人兼总裁Girvan Patterson手持一块用于服务器电源的集成电路板展示：“由于使用氮化镓晶体管器件，这块电路板的尺寸缩小到了原先的1/4。更为重要的是，它在性能、能源效率、系统成本等方面相比当下主流的硅基功率电子元件有了跨越式提升。”
被称为“终极半导体材料”的氮化镓研究和应用是全球半导体研究的前沿和热点，在光电子器件和微电子器件领域市场前景广阔。“目前全球功率转化器件每年约有150亿美元的市场规模，而氮化镓可以直接替代的市场至少可达20%，这还不包括尚待发展的领域，比如电动汽车等新兴潜力市场。”Girvan Patterson说。
半导体功率转化器件是现代电子工业极其重要的基础组成部件，被广泛应用于消费电器电子产品、工业和企业、清洁能源、电动汽车等领域。相关行业专家预测认为，需要转化的电力（交流转直流，直流转直流，直流转交流等等）将在20年内从目前的30%提升到80%。所以半导体功率转化效率的提升对整个社会的节能降耗具有重要意义，而氮化镓器件很可能成为推动整个电子电力效率提升的关键动力之一。
顺应终端产品更小型、更轻薄、能效更高、成本更低的趋势需求，功率半导体器件也在不断以此方向改进和发展。从过往历史看，大约每20年左右会出现一种新型功率三极管，而技术变革会让行业内诞生一些并不为公众熟知的巨头公司。
上世纪90年代，美国国际整流器公司（International Rectifier，简称IR）的HEXFET为代表的MOSFET占领了功率半导体器件的舞台，成为一个几十亿美金销售的产品品类；2000年，德国英飞凌公司(Infineon Technologies)推出超结MOS管，凭借显著的性能提升，成为市场领导者，2014财年营收达43.2亿欧元。去年8月，英飞凌公司以30亿美元现金收购IR，进一步整合功率半导体器件市场。
从技术角度看，氮化镓器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市场主流的硅基半导体器件均有显著数量级的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化镓器件的开关频率可以高出1000倍；能量损耗可以降低50%-90%；每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系统成本可以大幅降低。
近两年来，全球相关行业巨头也纷纷增加对氮化镓器件的研发和商业化投入。今年5月，松下电器半导体有限公司（panasonic Semiconductor Solutions）宣布将于2016年在日本国内量产氮化镓器件，首先应用于服务器电源装置，以此将耗电量降低到原先的一半左右。
2014年，氮化镓系统公司成为全球最早实现氮化镓晶体管器件规模化量产的公司之一。虽然前景广阔，但目前全球将氮化镓器件推进到商业化量产的公司仍然屈指可数，包括EPC、英飞凌、Transphorm等公司。“这将是一个长期发展的市场，除了高技术门槛的壁垒外，整个生态链的发展需要时间，”Girvan Patterson解释，“功率器件的变化要求整个电路板设计的变化，不同领域对于这一变化的接受程度和调整周期各不相同。”
氮化镓系统公司的技术和创始人团队成员源于北电网络公司（Nortel），Nortel是全球首家把氮化镓器件用于商业化射频应用的公司。由于项目涉及节能，公司发展过程中获得加拿大政府的大量资金资助。在实现原形产品后，2011年公司获得首笔风险投资。通过对氮化镓衬底材料的技术突破，氮化镓系统公司实现了硅基氮化镓器件规模化生产的能力，并以此极大降低了氮化镓晶体管的生产成本。“目前氮化镓晶体管的成本仍然是硅器件的3倍，但我们预计到2017年、2018年大规模生产后，它的成本将与硅晶体管器件相当，而产品的综合系统成本则会远低于硅器件。”Patterson称。
与投资动辄数亿美元的传统半导体厂商不同，氮化镓系统公司选择了“小而美”的无晶圆厂半导体公司的发展模式，目前全公司仅有40名左右的员工。“传统半导体工厂转向氮化镓器件生产的门槛并不高。”Patterson说。自去年量产以来，其全球客户已快速增至300多家。“我们从诞生起就是一家全球化公司，核心研发在北美以及全球各地的实验室，在台湾代工生产、欧洲封装，销售市场遍及全球。”Patterson介绍。
在融资方面，氮化镓系统公司也体现出“全球化”特色。今年5月，氮化镓系统公司完成2,000万美元的最新一轮融资，而长期专注于清洁能源和能效技术的中国风险投资企业青云创投是共同领投。“中国是全球最大、增长最快的功率电子区域市场，氮化镓系统公司提供了应用广泛的功率半导体器件，与青云的受资公司有很强的协同效应，尤其是在提高能效和小型化方面。”青云创投管理合伙人李立伟表示。
独创的岛技术（Island Technology®）是让氮化镓系统公司高速成长的关键因素。“岛技术可以让我们像搭乐高积木一样制造不同电压、功率的氮化镓晶体管，因此针对不同行业的不同客户，我们可以提供最宽泛的产品选择，这是竞争对手做不到的。”Patterson说。
目前，氮化镓系统公司把氮化镓晶体管的目标市场锁定在消费电子、商业、工业和汽车四大主要领域。消费电子企业对氮化镓晶体管可能带来的革命非常敏感，并最先引入商业化应用。“这有些出乎我们之前的意料——我们原以为消费电子企业会对价格更敏感，而事实上他们更在乎能否更快地让更薄电视机、更高能效的空调等差异化竞争的产品走向市场，”Patterson说，“消费电子行业的产品更新周期通常为6到18个月，这大大提升了新技术电子部件的更替速度。”
在商业方面，数据中心的发展让服务器电源市场变得兴旺蓬勃。据Patterson透露，目前中国市场中，数据中心的服务器电源用户正非常踊跃积极的采纳氮化镓晶体管器件，以此大幅降低数据中心的电力消耗。在工业方面，氮化镓系统公司十分看重中国潜力巨大的光伏逆变器市场。“我们在中国市场布局还不到半年，目前发展状况超出此前预期，预计今年底至少将有40家行业领导者成为我们的客户。”氮化镓系统公司亚太地区营销总监Charles Bailley透露。
汽车市场，尤其是电动汽车市场是高效率功率转化器件前景最为广阔的待开发市场。氮化镓晶体管应用在电动汽车领域，通过大幅提升能量转化效率更高而使得让汽车减少电池使用，既能减轻汽车重量，又能降低汽车成本。“当然，汽车的设计开发周期通常为3至5年，因此氮化镓晶体管在汽车市场的大规模应用仍需时日。”Patterson认为。
今年65岁的Patterson是在电子通讯领域经验丰富的连环创业者。从1981年开始创业至今，Partterson已经完成了4家公司的IPO。“氮化镓晶体管的革命必然是颠覆性的，这次创业是这么多年来让我最为兴奋的一次，我们有可能改变这个行业的未来，成为行业领导者，”Patterson一改此前工程师的口吻，颇为兴奋地笑道，“我真希望再年轻20岁！”