Laut Insidern rekrutiert Huawei derzeit Mitarbeiter für die Forschung und Entwicklung von Leistungshalbleitern, darunter gängige Bauelemente wie IGBTs, MOSFETs, SiC und GaN. Das Team soll aktuell mehrere Hundert Mitarbeiter umfassen. Es ist kein Geheimnis, dass Huawei eigene Leistungshalbleiter entwickelt. Welche Strategie verfolgt Huawei also in diesem Bereich? (Der Inhalt stammt vom öffentlichen Account [Semiconductor Industry Observation] ID: icbank, Autor: Du Qin DQ)

 

Warum sollte man auf Stromversorgungsgeräte achten?

Wir alle wissen, dass Huawei sehr gut in der Chipherstellung ist und seine Kirin-Chips mit Qualcomm und Apple vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen, aber tatsächlich sind Leistungshalbleiter auch ein sehr wichtiger Bestandteil der Halbleiterindustrie. Leistungshalbleiter sind das Herzstück der Leistungsumwandlung und Schaltungssteuerung in elektronischen Geräten. Sie sind die Kernkomponenten, die Funktionen wie Spannung, Frequenz und Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlung realisieren. Sie umfassen hauptsächlich Dioden, Thyristoren, MOSFETs und IGBTs. Technologien wie Dioden und Thyristoren sind jedoch relativ alt und wurden von den großen Herstellern nach und nach aufgegeben. Insbesondere da sich Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend in Richtung höherer Spannungen und höherer Frequenzen entwickeln, stoßen die traditionellen, auf Silizium basierenden Leistungshalbleiterbauelemente und ihre Materialien an physikalische Grenzen. Darüber hinaus sind Verbindungshalbleiter der zweiten Generation hinsichtlich Kosten und Toxizität ungeeignet. Die großen internationalen Hersteller haben den Fokus der Branche auf Verbindungshalbleiter der dritten Generation gelegt. Man kann sagen, dass die dritte Generation von Halbleitern die Entwicklungsrichtung für Leistungselektronik in der Zukunft darstellt. Die beiden nationalen Konferenzen sind erst kürzlich zu Ende gegangen, und Halbleiter der dritten Generation (GaN und SiC) sind wieder einmal zu einem der Schlüsselbegriffe der beiden Konferenzen geworden. Während der beiden Sitzungen sagte Wang Wenyin, Mitglied des Nationalkomitees der Politischen Konsultativkonferenz des Chinesischen Volkes, in einem Interview, dass mit der Ausdehnung der Reichweite der Halbleiterindustrie der dritten Generation auf Schlüsselbereiche wie 5G-Basisstationen, UHV, interstädtische Hochgeschwindigkeitszüge und Ladesäulen für neue Energien die Entwicklung der Halbleiterindustrie meines Landes ihren Höhepunkt erreicht habe. Laut Prognose von TrendForce Consulting werden die Umsätze mit GaN-Kommunikations- und Leistungselektronikbauelementen im Jahr 2021 680 Millionen US-Dollar bzw. 61 Millionen US-Dollar betragen, was einem jährlichen Anstieg von 30.8 % bzw. 90.6 % entspricht; für SiC-Bauelemente wird geschätzt, dass die Umsätze mit SiC-Bauelementen im Leistungsbereich im Jahr 2021 680 Millionen US-Dollar erreichen werden, was einem jährlichen Anstieg von 32 % entspricht. China ist der weltweit größte Verbraucher von elektrischen Geräten. Der Gesamt-Selbstversorgungsgrad bei Haushaltsgeräten liegt unter 10%. Es besteht ein enormes Potenzial für die Substitution durch inländische Produkte, insbesondere bei High-End-Geräten. Mal sehen, wie heiß GaN ist? Laut taiwanesischen Medienberichten vom Februar dieses Jahres hat TSMC 16 GaN-bezogene Anlagen gekauft, was mehr als doppelt so viel ist wie die Anzahl von 6 Einheiten in der bestehenden Sechs-Zoll-Fabrik. Dies entspricht einer Steigerung der Produktionskapazität auf mehr als 10,000 Stück, was zeigt, wie groß die Nachfrage nach Kundenaufträgen ist. Der GaN-Lieferant Nanosemiconductor, der auch ein wichtiger Kunde von TSMC ist, gab kürzlich bekannt, dass seine Lieferungen einen neuen Rekord aufgestellt haben und er erfolgreich mehr als 13 Millionen GaN-Leistungs-ICs auf den Markt gebracht hat, ohne dabei einen Produktausfall zu verzeichnen. Dies spiegelt wider, dass der globale Markt für mobile Unterhaltungselektronik die Einführung von GaN-Chips beschleunigt, um ein schnelles Aufladen mobiler Geräte und zugehöriger Ausrüstung zu ermöglichen. Im Februar 2020 wurde auf der Xiaomi 10-Einführungskonferenz erstmals der GaNFast-Galliumnitrid-Leistungschip von Nanomicro im 65-Watt-Galliumnitrid-Ladegerät von Xiaomi verwendet, und GaN begann, die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit zu erregen. Das Xiaomi Mi 11 wird nun mit einer neuen Version der 55W GaN-Schnellladefunktion auf den Markt kommen. Dieses Ladegerät wird den Xiaomi Mi 11 Smartphones bei ihrer Markteinführung im Ausland beiliegen. Laut Gene SHERIDAN, CEO und Mitbegründer von Navitas, verfügt die Überseeversion des standardmäßigen 55W Nano GaNFast Galliumnitrid-Ladegeräts des Xiaomi Mi 11 über einen europäischen 2-Pin-Wechselstromanschluss. Dies zeigt, dass die führenden Smartphone-Hersteller begonnen haben, die Galliumnitrid-Technologie einzusetzen, und dass die Branche begonnen hat, die alten, langsamen Siliziumchips schrittweise abzuschaffen.

Schnapp dir sowohl IGBT als auch SiC

Bezüglich IGBT und SiC gab es in der Branche schon immer eine gewisse Unsicherheit. Da IGBTs allmählich an die Leistungsgrenze von Silizium stoßen, gilt das Halbleitermaterial der dritten Generation, SiC, als neuer Konkurrent für IGBTs in zukünftigen Elektrofahrzeugen. Branchenkenner vergleichen SiC jedoch mit einem intelligenten und willensstarken Teenager mit herausragenden Stärken und ebenso ausgeprägten Schwächen. IGBTs hingegen sind eher mit einem bodenständigen und reifen jungen Mann vergleichbar, der die Last von Leistungselektronik tragen kann. Angesichts der unterschiedlichen Aufgabenverteilung der beiden Technologien ist Huaweis zweigleisiger Ansatz bei IGBT und SiC daher eine kluge Entscheidung. Gerüchten zufolge sollte Huawei als erstes Leistungselektronikprodukt einen IGBT herstellen. Der IGBT ist das Kernbauelement für die Energieumwandlung und -übertragung und wird gemeinhin als „CPU“ von Leistungselektronikgeräten bezeichnet. Als führendes Unternehmen im Bereich USV-Stromversorgungen hält Huawei den größten Marktanteil in globalen Rechenzentren. Daher ist der IGBT die Kernkomponente von Huaweis USV-Stromversorgungen. Darüber hinaus findet die IGBT-Technologie als nationaler strategischer Zukunftszweig breite Anwendung im Schienenverkehr, in intelligenten Stromnetzen, der Luft- und Raumfahrt, bei Elektrofahrzeugen und Anlagen für neue Energien. Mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, Schienenverkehr und intelligenten Stromnetzen ist die Nachfrage nach IGBTs deutlich gestiegen. Leistungshalbleiter sind eine der Kernkomponenten der elektronischen Steuerungssysteme von Elektrofahrzeugen. Ihr Wert ist mehr als fünfmal so hoch wie der von herkömmlichen Fahrzeugen. IGBTs machen etwa 37 % der Kosten des elektronischen Steuerungssystems von Elektrofahrzeugen aus. Neben IGBTs entwickelt Huawei auch SiC. Aufgrund der einzigartigen und hervorragenden Eigenschaften von SiC haben Automobilhersteller in den letzten zwei Jahren vermehrt SiC-Bauteile eingeführt. Huaweis Engagement im Automobilsektor ist bekannt. Huawei produziert keine Fahrzeuge, sondern konzentriert sich auf Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), um Automobilhersteller bei der Entwicklung hochwertiger Fahrzeuge zu unterstützen. Huawei hat sich zum Ziel gesetzt, ein wichtiger Komponentenlieferant für intelligente, vernetzte Fahrzeuge zu werden. Die Forschung und Entwicklung von IGBTs und SiCs ist für Huawei ebenfalls ein Weg, sich als Automobilzulieferer zu etablieren. Aktuell dominieren in der Automobilindustrie noch immer Silizium-basierte IGBTs den Markt für Leistungshalbleiter. SiC-basierte MOSFETs gelten aufgrund ihrer höheren Leistungsfähigkeit als zukunftsweisend, doch die hohen Kosten stellen derzeit das größte Hindernis für ihre Verbreitung dar. Mit zunehmender Größe der Fahrzeugbatterien und steigender maximaler Leistung bzw. Drehmoment der Motoren gewinnen die Vorteile von SiC-basierten MOSFETs jedoch immer mehr an Bedeutung. Auch die Integration von SiC-Leistungshalbleitern in Fahrzeugladegeräte schreitet voran. Zahlreiche Hersteller haben bereits SiC-Leistungshalbleiter für Ladegeräte von Elektrofahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen auf den Markt gebracht. Laut Yole-Statistiken wird dieser Markt bis 2023 voraussichtlich ein Wachstum von 44 % verzeichnen.    

Die langfristige Entwicklung von Leistungs-SiC (Quelle: Yole)Im Bereich Investitionen erwarb Hubble Technology Investment Co., Ltd., eine Tochtergesellschaft von Huawei, im vergangenen Jahr eine 10%ige Beteiligung an Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., Chinas führendem Hersteller von Siliziumkarbid-Halbleitermaterialien der dritten Generation. Im Juli 2020 investierte Huawei zudem in Dongwei Semiconductor, dessen Produktpalette hauptsächlich aus drei Serien besteht: der Hochvolt-GreenMOS-Serie, der Mittel- und Niedervolt-SGTMOS-Serie sowie der IGBT-Serie. Diese Produkte finden breite Anwendung in Schnellladegeräten, Ladesäulen, Schaltnetzteilen, Gleichstrommotorantrieben und Photovoltaik-Wechselrichtern.    

Planung für GaN

Laut Yoles Prognose wird GaN hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik, der Automobilelektronik, Telekommunikationsanlagen usw. eingesetzt. Im Bereich Galliumnitrid liegt der Haupttrend bei der GaN-Bauelementintegration in System-in-Package- oder System-on-Chip-Lösungen. Tatsächlich werden GaN-Leistungshalbleiter hauptsächlich an den Elektronikmarkt verkauft. Für den Konsumgütermarkt ist dies ein klarer Technologietrend. Ein typisches Beispiel ist das Schnellladen. Schnellladegeräte bestehen im Wesentlichen aus zwei Kernkomponenten: einem Power-Management-IC und einem diskreten Leistungsbauelement. Die Anforderungen an das Schnellladen sind hohe Leistungsdichte und Effizienz. Daher müssen Unternehmen die Systeme in diesem Formfaktor stark verkleinern und die Kosten pro Leistungseinheit senken.    

Abbildung 2: Markt für Power GaN (Quelle: Yole)  
Mit zunehmender Reife der GaN-Technologie können optimierte Bauteile eine bessere Größe, ein geringeres Gewicht usw. erreichen. durch cleveres Design. Darüber hinaus schalten GaN-Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-basierten Bauteilen 10-mal schneller und können bei höheren Temperaturen betrieben werden. Daher ist die Anwendung von GaN im Bereich des USB-PD-Schnellladens sehr verbreitet. Am 8. April 2020, im Rahmen der Vorstellung der neuen Produkte für das Frühjahr 2020, brachte Huawei ein einzelnes Ladegerät auf den Markt – ein 65-Watt-GaN-Ladegerät (Galliumnitrid) mit zwei Anschlüssen. Damals gab es Gerüchte, Huawei entwickle es selbst, aber die tatsächliche Situation muss noch untersucht werden. Personen, die mit Huaweis Lieferkette vertraut sind, wiesen jedoch darauf hin, dass Huawei im GaN-Bereich eine starke Präsenz hat. Derzeit gibt es viele Hersteller auf dem Markt, die GaN-Schnellladetechnologie einsetzen, darunter Power Integration, Inc., Navitas und Innoscience, die drei wichtigsten Anbieter. Neben Huawei HiSilicon haben auch viele inländische Unternehmen, darunter Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro und Hangzhou Silan Micro, aktiv Halbleiter der dritten Generation eingesetzt. Es wird erwartet, dass der globale Markt für GaN-Schnellladetechnologie mit steigender Nachfrage der Nutzer nach Mobilität im Jahr 2025 ein Volumen von über 60 Milliarden Yuan erreichen wird, während gleichzeitig der Ersatz von siliziumbasierten Produkten durch GaN-Chips in anderen aufstrebenden Bereichen beschleunigt wird. Neben dem Schnellladen im Bereich der Unterhaltungselektronik eignen sich diskrete GaN-basierte Bauelemente auch besser für Hochleistungsanwendungen wie Rechenzentren oder Basisstations-Stromversorgungen. Im Juni 2020 kündigte Huawei an, einen Forschungs- und Entwicklungsstandort sowie eine Produktionsstätte für Optoelektronik in Großbritannien zu errichten. Die erste Phase des Projekts konzentriert sich auf die Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung optischer Geräte und optischer Module. Durch die Integration von Forschung und Entwicklung sowie Fertigung können wir die Produktentwicklung und Vermarktungsprozesse beschleunigen und Produkte effizienter auf den Markt bringen. Die optoelektronische Technologie ist eine Schlüsseltechnologie für optische Faserkommunikationssysteme, und Huaweis große Investition in Großbritannien zielt darauf ab, die Anwendung verwandter Technologien in globalen Rechenzentren und Netzwerkinfrastrukturen zu fördern. Im Bereich der Optoelektronik kommen der geringe Stromverbrauch und die hohe Lichtausbeute von GaN LEDs und ultravioletten Lasern zugute. Tief-ultraviolette Leuchtdioden (LEDs) auf Basis von GaN-Halbleitern stellen die vorherrschende Entwicklungsrichtung für ultraviolette Desinfektionslichtquellen dar. Ihre Lichtquellen sind klein, hocheffizient und haben eine lange Lebensdauer. Ein Chipmodul von der Größe einer Daumenkappe kann stärkeres ultraviolettes Licht abgeben als eine Quecksilberdampflampe. Im Bereich der Hochfrequenz-GaN hat Huawei vor einigen Jahren Galliumnitrid-Leistungsverstärker in seinen 4G LTE-Basisstationen eingesetzt. Mit dem Aufkommen von 5G gewinnt GaN immer mehr an Potenzial, da die Leistungsdichte von GaN bei hohen Frequenzen im Vergleich zu LDMOS immer noch hervorragend ist und sich auch die Leistungsverstärkungseffizienz erhöht. Laut der Datenprognose von Yole (Abbildung 2) nimmt die Verbreitung von GaN in Rechenzentren nur langsam zu. Ezgi Dogmus, Technologie- und Marktanalystin bei Yole, sagte, dies liege an der mangelnden Regulierung. Wenn die Regierung die strenge Überwachung von Rechenzentren verstärkt, um den Stromverbrauch zu senken, wird die Verbreitung von GaN in Rechenzentren höher sein. Mit steigenden Anforderungen an die Effizienz spielt Galliumnitrid eine wichtige Rolle gegenüber Silizium, das die aktuellen Anforderungen noch erfüllt. Im Automobilbereich, wo immer mehr Komponenten in Autos verwendet werden, gewinnt die Rolle von GaN zunehmend an Bedeutung. Am 11. August 2020 gab Wang Jun, Präsident der Huawei Smart Car Solutions BU, auf dem 12. Automotive Blue Book Forum bekannt, dass Huawei derzeit an der Entwicklung von Lidar-Technologie arbeitet. Fortschritte bei GaN-Transistoren haben sich als unerlässlich für die Entwicklung hochpräziser Lidar-Systeme erwiesen. LiDAR-Systeme emittieren Lichtimpulse von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs), die eine elektrische Steuerung mit hoher Leistung erfordern und sehr schnell sind mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten. Dies ist einer der Gründe, warum Galliumnitrid für Lidar-Systeme von Vorteil ist. Galliumnitrid-FETs schalten wesentlich schneller als Silizium-FETs, wodurch kurze Impulsbreiten bei hohen Strömen möglich sind. Diese Eigenschaft ist für Lidar von entscheidender Bedeutung, da kürzere Impulsbreiten eine höhere Auflösung ermöglichen und hohe Impulsströme es Lidar-Systemen erlauben, weiter zu sehen.

Die Gesamtsituation der inländischen Leistungshalbleiter

Abschließend betrachten wir systematisch die Situation der Wertschöpfungskette für inländische Leistungshalbleiter, insbesondere IGBTs, SiC und GaN. Zunächst werfen wir einen Blick auf die gesamte IGBT-Wertschöpfungskette. Inländische IGBTs sind zwar grundsätzlich in der gesamten Wertschöpfungskette vertreten – von Chipdesign über Waferherstellung bis hin zur Modulverpackung –, befinden sich aber noch in der Anfangsphase. Insbesondere die Waferherstellung, die Dünnung der Backplane und die Verpackungsprozesse stellen die größten Herausforderungen in der IGBT-Fertigungstechnologie dar, und hier besteht ein erheblicher Rückstand gegenüber dem Ausland.

Übersicht über die gesamte inländische IGBT-Industriekette (Tabelle: Beobachtung der Halbleiterindustrie)  
Im gesamten SiC-Bereich, insbesondere bei SiC-Substraten und Epitaxie, dominieren in China weiterhin 4-Zoll-Produkte. 6-Zoll-Produkte wurden zwar entwickelt und werden in kleinen Serien geliefert, doch bestehen im Vergleich zum Ausland in allen Gliedern der gesamten Wertschöpfungskette der heimischen Siliziumkarbidindustrie Lücken. Der Entwicklungsrückstand beträgt insgesamt etwa fünf Jahre. Verglichen mit dem fortschrittlichsten ausländischen Stand hinken chinesische SiC-Dioden etwa eine Generation, also zwei bis drei Jahre, hinterher. Dieser Rückstand ist nicht besonders groß und kann in absehbarer Zeit durchaus aufgeholt werden. Dies erfordert jedoch gleichzeitige Anstrengungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Übersicht über die gesamte inländische SiC-Industriekette (Tabelle: Beobachtung der Halbleiterindustrie)Laut der von RESEARCH AND MARKETS veröffentlichten Studie „Gallium Nitride Semiconductor Device Market 2023 Global Forecast“ wird der Markt für Galliumnitrid-Bauelemente voraussichtlich von 16.5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016 auf 22.47 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 wachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 4.51 % entspricht. Die Wertschöpfungskette der GaN-Industrie umfasst vorgelagerte Materialien (Substrat und Epitaxie), Bauelemente und Module sowie nachgelagerte Systeme und Anwendungen. Angetrieben durch die stetige Expansion des heimischen GaN-Marktes sind zahlreiche Hersteller in allen Bereichen der Wertschöpfungskette – von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung bis hin zur Verarbeitung – entstanden.  
 

Übersicht über die gesamte inländische GaN-Industriekette (Tabelle: Beobachtung der Halbleiterindustrie)     

Fazit

Insgesamt wurde Huaweis Auslandsgeschäft durch die aktuelle internationale Lage beeinträchtigt. Der aufstrebende Automobilsektor hat sich daher zu einem Durchbruch für Huaweis Wachstumspotenzial entwickelt und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Der Einstieg in die Leistungselektronik – ob IGBT, SiC oder GaN – ist ein wichtiger Baustein für Huaweis Positionierung als Automobilzulieferer. Basierend auf den überlegenen Eigenschaften dieser Leistungselektronik kann Huawei damit eigene Geräte wie Basisstations-Stromversorgungen, Schnellladesysteme, optoelektronische Forschung und Entwicklung sowie weitere Anwendungen realisieren.    

Aktuell befinden wir uns im Bereich der Halbleiter-Leistungshalbleiter der dritten Generation hinsichtlich des Entwicklungsstands in- und ausländischer Technologien und der nationalen Aufmerksamkeit in einer guten Position. Die meisten inländischen Experten stehen der Entwicklung der Halbleiter der dritten Generation in unserem Land ebenfalls positiv gegenüber. Die Halbleitermaterialien der dritten Generation bieten uns eine große Chance, die passive Rolle integrierter Schaltungen zu überwinden und technologisch aufzuholen und sogar zu überholen. Ein leistungsfähiges Unternehmen wie Huawei sollte die Führung übernehmen und den Aufstieg der heimischen Halbleiterindustrie vorantreiben!

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