最近、事情に詳しい関係者によると、ファーウェイはIGBT、MOSFET、SiC、GaNといった主流のパワーデバイスを含む同社のパワーデバイスの研究開発チームに人材を募集しているという。現在、チームは数百人規模だという。ファーウェイが独自のパワーデバイスを開発していることは周知の事実だが、ファーウェイはこれらのパワーデバイスの研究開発において、一体どのような大きな戦略を練っているのだろうか？（本記事は公式アカウント[半導体産業観察] ID: icbank 著者: Du Qin DQ より転載）

 

なぜ電力機器に注目する必要があるのか​​？

We all know that Huawei is very good at making chips, and its Kirin chips are comparable to or even surpassing Qualcomm and Apple, but in fact, power devices are also a very important part of semiconductors. 電力デバイスは、電子機器における電力変換と回路制御の中核を成すものである。 これらは、電圧、周波数、直流から交流への変換といった機能を実現する中核部品です。 They mainly include diodes, thyristors, MOSFETs, and IGBTs. しかし、ダイオードやサイリスタといった技術は比較的古く、主要メーカーによって徐々に廃止されてきた。 特に、パワー半導体デバイスが徐々に高電圧・高周波へと発展していくにつれて、従来のシリコンベースのパワー半導体デバイスとその材料は物理的な限界に近づいている。 さらに、第二世代化合物半導体は、コストと毒性の面で適していない。 主要な国際メーカーは、業界の将来を第三世代化合物半導体に託している。 第三世代半導体は、将来のパワーデバイスの開発方向であると言えるだろう。 先日、全国人民代表大会と中国共産党の全国政治協商会議（両会）が閉幕したが、第三世代半導体（GaNとSiC）が再び両会のキーワードの一つとなった。 両会期中、中国人民政治協商会議全国委員会の王文蔭委員はインタビューで、第3世代半導体産業の適用範囲が5G基地局、超高圧、都市間高速鉄道、新エネルギー充電ステーションなどの主要分野に拡大するにつれ、我が国の半導体産業の発展は到来したと述べた。 TrendForce Consultingの予測によると、2021年のGaN通信デバイスとパワーデバイスの売上高はそれぞれ6億8000万米ドルと6100万米ドルとなり、前年比で30.8%と90.6%増加する見込みです。SiCデバイスについては、パワー分野におけるSiCデバイスの売上高は2021年に6億8000万米ドルに達し、前年比で32%増加すると予測されています。 China is the world's largest consumer of power devices. 国内の電力機器の全体的な自給率は10％未満である。 There is huge room for domestic substitution, especially in high-end devices. GaNがどれほど注目されているか見てみましょう。 今年2月の台湾メディアの報道によると、TSMCはGaN関連装置を16台購入した。これは既存の6インチ工場にある6台の2倍以上の数である。 これは生産能力を10,000万個以上に増やすことに相当し、顧客からの注文需要の大きさを示している。 GaNサプライヤーであり、TSMCの主要顧客でもあるナノセミコンダクターは、最近、出荷台数が新記録を樹立し、13万個以上のGaNパワーICを市場に供給し、製品不良ゼロを達成したと発表した。 これは、世界のモバイル家電市場において、モバイル機器や関連機器の高速充電を可能にするために、GaNチップの採用が加速していることを反映している。 In February 2020, at the Xiaomi 10 launch conference, Nanomicro's GaNFast gallium nitride power chip was used in Xiaomi's 65W gallium nitride charger for the first time, and GaN began to enter people's attention. Now Xiaomi Mi 11 is about to be launched on the market with a new version of 55W GaN fast charging. この充電器は、Xiaomi Mi 11スマートフォンが海外で発売される際に同梱される予定です。 NavitasのCEO兼共同創設者であるジーン・シェリダン氏によると、Xiaomi Mi 11の標準55W Nano GaNFast窒化ガリウム充電器の海外版は欧州規格の2ピンACを採用しており、これは主流の大手スマートフォンメーカーが窒化ガリウム技術を採用し始めたこと、そして業界が旧式の低速シリコンチップの段階的廃止を開始したことを示している。

IGBTとSiCの両方を手に入れよう

Regarding IGBT and SiC, the industry has always had a hidden concern. As IGBT gradually approaches the performance limit of silicon material, the third-generation semiconductor material SiC is regarded as a new challenger to IGBT in future electric vehicles. However, according to analysis by industry insiders, "SiC is like a smart and strong-willed teenager with outstanding advantages and equally outstanding shortcomings. IGBT is more like a steady and mature young man who can shoulder the burden of power devices." Therefore, in view of the different division of labor between the two, Huawei's dual-pronged approach to IGBT and SiC is also a wise choice. The first power device that Huawei was rumored to be making was IGBT. IGBT is the core device for energy conversion and transmission, commonly known as the "CPU" of power electronic devices. As a leading company in UPS power supply, Huawei occupies the first market share in global data centers, so IGBT is the core component of Huawei's UPS power supply. In addition, as a national strategic emerging industry, IGBT is widely used in rail transportation, smart grid, aerospace, electric vehicles and new energy equipment and other fields. With the development of new energy vehicles, rail transit and smart grids, the demand for IGBTs has experienced substantial growth. Power devices are one of the core electronic devices in the electronic control system of new energy vehicles. The value of power devices in new energy vehicles is more than five times that of traditional fuel vehicles. In particular, IGBT accounts for about 37% of the cost of the electronic control system of new energy vehicles. In addition to IGBT, it is understood that Huawei is also developing SiC. In the past two years, due to the unique and excellent characteristics of SiC, car manufacturers have successively begun to introduce SiC devices. Everyone knows about Huawei's layout in cars. Huawei does not build cars, but focuses on ICT technology to help car companies build good cars. Huawei is committed to becoming an incremental component supplier for intelligent connected vehicles. Research and development of IGBT and SiC is also a direction for Huawei to become an automotive parts supplier. But for now, automotive power semiconductor devices are still dominated by silicon-based IGBTs, while SiC-based MOSFETs represent the future because they have stronger performance, but the biggest obstacle to current promotion is high cost. However, as vehicle power battery packs become larger and larger, and the maximum power/peak torque of motors becomes higher and higher, the advantages of SiC-based MOSFETs become more and more significant. SiC power devices are also accelerating their integration into the field of vehicle chargers. Many manufacturers have launched SiC power devices for chargers of electric vehicles such as HEV/EV. According to Yole statistics, this market can maintain a growth rate of 44% before 2023.    

パワーSiCの長期的な進化（出典：Yole）投資分野では、ファーウェイの子会社であるハッブルテクノロジー投資有限公司が昨年、中国を代表する第3世代半導体材料である炭化ケイ素企業、山東天岳先進材料技術有限公司に投資し、10%の株式を保有しました。また、2020年7月には、ファーウェイは東威半導体にも投資しました。東威半導体は主に、高電圧GreenMOSシリーズ、中低電圧SGTMOSシリーズ、IGBTシリーズの3つの製品シリーズを有しており、急速充電器、充電ステーション、スイッチング電源、DCモータ駆動装置、太陽光発電インバータなどに幅広く使用されています。    

Planning for GaN

Yoleの予測によると、GaNは主に民生用電子機器、車載用電子機器、通信技術設備などに使用される予定です。窒化ガリウムの分野では、GaNデバイスの統合における主なトレンドは、システムインパッケージまたはシステムオンチップソリューションです。実際、GaNパワーデバイスは主に電子機器市場に販売されています。民生用市場にとって、これは明らかな技術トレンドです。より典型的な例は急速充電です。急速充電ヘッド製品は主に2つのコアコンポーネントで構成されており、1つは電力管理ICチップ、もう1つは電力ディスクリートデバイスです。急速充電の要件は電力密度と効率です。そのため、企業はこのフォームファクタでシステムを本当に圧縮し、電力あたりの価格を下げる必要があります。    

図2：パワーGaN市場（出典：Yole）  
GaN技術が成熟するにつれて、GaN技術によって、より小型軽量な部品を実現することが可能になる。 巧妙なデザインによって。 さらに、通常のシリコンベースの部品と比較して、GaN部品はスイッチング速度が10倍速く、より高い温度で動作させることができる。 そのため、USB PD急速充電の分野におけるGaNの応用は非常に一般的になっている。 2020年4月8日、ファーウェイは2020年春の新製品発表会で、65WのGaN（窒化ガリウム）デュアルポート充電器という単一の充電器製品を発表した。 当時、ファーウェイが独自に開発しているという噂があったが、実際の状況はまだ調査されていない。 しかし、ファーウェイのサプライチェーンに詳しい関係者は、ファーウェイが窒化ガリウム（GaN）分野で大きな存在感を示していることを指摘した。 現在、市場にはGaN急速充電技術を導入しているメーカーが多数存在し、中でもPower Integration, Inc.、Navitas、Innoscienceは主要サプライヤー3社である。 ファーウェイのハイシリコンに加え、海特ハイテク、海鹿重工業、蘇州景展、江蘇華工、重慶華潤微、杭州思蘭微など、多くの国内企業が第3世代半導体を積極的に展開している。 携帯性に対するユーザーの需要の高まりに伴い、世界のGaN急速充電市場は2025年には60億元を超える規模に達すると予想されており、他の新興分野においてもシリコンベースの製品からGaNチップへの置き換えが加速すると見込まれている。 民生用電子機器分野における急速充電に加え、GaNベースの個別デバイスは、データセンターや基地局の電源など、高出力用途にもより適している。 2020年6月、ファーウェイは英国に光電子工学の研究開発および製造拠点を設立すると発表した。 プロジェクトの第一段階では、光デバイスおよび光モジュールの研究開発と製造に重点を置く。 研究開発機能と製造機能を統合することで、製品開発と商品化のプロセスを加速させ、より効率的に製品を市場に投入することが可能になります。 光電子技術は光ファイバー通信システムの基幹技術であり、ファーウェイの英国への大規模投資は、関連技術のグローバルデータセンターおよびネットワークインフラへの応用を促進することを目的としている。 光電子工学の分野において、GaNの低消費電力と高発光効率は、LEDや紫外線レーザーにとって有益である。 GaN半導体を用いた深紫外発光ダイオード（LED）は、紫外線殺菌光源の主流となる開発方向である。 これらの光源は、小型で高効率、長寿命である。 親指のキャップほどの大きさのチップモジュールが、水銀ランプよりも強力な紫外線を発することができる。 無線周波数GaNの分野では、ファーウェイは数年前から4G LTE基地局に窒化ガリウムパワーアンプを採用している。 そして、5Gの登場に伴い、GaNはますます大きな可能性を秘めている。なぜなら、高周波域ではGaNの電力密度はLDMOSに比べて依然として優れており、電力付加効率も向上するからである。 Yoleのデータ予測（図2）によると、データセンターにおけるGaNの採用は緩やかに増加している。 Yoleのテクノロジー・市場アナリストであるエズギ・ドグムス氏は、これは規制の欠如が原因だと述べた。 政府がデータセンターの電力消費削減に向けた厳格な監督を強化すれば、データセンターにおけるGaNの普及率はさらに高まるだろう。 高効率化への要求が高まるにつれ、窒化ガリウムは、現在の要求を満たしているシリコンよりも重要な役割を果たすようになるだろう。 自動車分野では、自動車に使用される部品が増えるにつれて、GaNの役割がますます重要になってきている。 2020年8月11日、第12回オートモーティブ・ブルーブック・フォーラムにおいて、ファーウェイ・スマートカー・ソリューションズ事業部の社長である王軍氏が、ファーウェイが現在LiDAR技術を開発していることを明らかにした。 GaNトランジスタの進歩は、高精度ライダーシステムの開発に不可欠であることが証明されている。 LiDARシステムは、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）から光パルスを発する。VCSELは高出力の電気制御を必要とし、立ち上がり時間と立ち下がり時間が短い非常に高速な発振器である。 これが、窒化ガリウムがライダーシステムに有益な理由の一つです。 窒化ガリウムはシリコンFETよりもはるかに高速にスイッチングするため、高電流でも短いパルス幅を実現できる。 This property is critical for lidar because shorter pulse widths allow for higher resolution, and high pulse currents allow lidar systems to see farther.

The overall situation of domestic power semiconductors

最後に、主にIGBT、SiC、GaNといった国内パワー半導体の産業チェーンの現状を体系的に見ていきましょう。まず、IGBT産業チェーン全体を見ていきます。国内のIGBTは、チップ設計、ウェハ製造、モジュールパッケージングといった産業チェーン全体にほぼ網羅されていますが、まだ初期段階にあります。特に、ウェハ製造、バックプレーンの薄化、パッケージング工程はIGBT製造技術における主な難題であり、この点において海外との大きなギャップが存在します。

国内IGBT産業チェーン全体の整理（表：半導体産業概観）  
SiC分野全体において、SiC基板とエピタキシャル成長の面では、中​​国は依然として4インチ製品が主流であり、6インチ製品は少量生産で開発・供給されているに過ぎない。一般的に、海外と比較すると、国内の炭化ケイ素産業のバリューチェーン全体においてあらゆる段階でギャップがあり、全体的なレベルの差は約5年程度あると考えられる。最も先進的な海外レベルと比較すると、国内のSiCダイオードは約1世代遅れており、約2～3年遅れている。このギャップは特に大きくなく、近い将来に追いつくことは十分に可能である。しかし、そのためには、国内バリューチェーン全体の上流と下流の両方で同時に努力を重ねて進歩していく必要がある。

Sorting out the entire domestic SiC industry chain (Tabulation: Semiconductor Industry Observation)RESEARCH AND MARKETSが発表した「窒化ガリウム半導体デバイス市場2023年世界予測」によると、窒化ガリウムデバイス市場は2016年の16.5億米ドルから2023年には224億7000万米ドルに成長し、年平均成長率は4.51%になると予測されています。GaN産業チェーンは、上流の材料（基板とエピタキシャル）、中流のデバイスとモジュール、下流のシステムとアプリケーションで構成されています。国内GaN市場の緩やかな拡大に牽引され、上流、中流、下流のすべてのリンクに多数のメーカーが登場し始めています。  
 

Sorting out the entire domestic GaN industry chain (Tabulation: Semiconductor Industry Observation)     

結論

概して、現在の国際情勢下では、ファーウェイの海外事業は阻害されているものの、新興の自動車事業はファーウェイが成長を追求する上で突破口となり、ファーウェイの事業分野においてますます重要性を増している。IGBT、SiC、GaNといったパワーデバイスへの参入は、自動車部品サプライヤーとしての地位を確立するための礎となる。そして、これらのパワーデバイスの優れた特性を活かし、基地局電源、急速充電、光電子研究開発などの自社機器への応用が可能となる。    

現在、第三世代半導体パワーデバイスの分野において、国内外の技術開発レベルと国の注目度という点で、我が国は有利な立場にあります。国内の専門家の大半も、我が国の第三世代半導体の開発に対して肯定的な姿勢を示しています。第三世代半導体材料は、集積回路の受動的な状況を打破し、チップ技術の追いつきや追い越しを実現する絶好の機会となるでしょう。ファーウェイのような有能な企業が率先して、国内半導体の隆盛を牽引していくべきです。

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