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国内窒化ガリウムトラックの投資価値
          1. 窒化ガリウム配線の投資価値第三世代半導体の材料特性は、シリコンベースのパワーデバイス市場の一部を徐々に置き換えていくでしょう。これは市場での応用を通じて継続的に検証されており、基本的にコンセンサスとなっています。シリコンベースの窒化ガリウムの現在の主な欠点は、炭化ケイ素と比較して、低電圧定格と信頼性検証データの不足です。さらに、シリコンベースの窒化ガリウムの全体的な出力値が低いため、スケール効果がまだ形成されておらず、炭化ケイ素と比較してコスト面での優位性はありません。しかし、シリコンベースの窒化ガリウムメーカーは現在、エピタキシャル成長、デバイス構造、および駆動制御回路を通じて、高耐電圧（現在1200V製品）と高信頼性（現在、高電圧デバイスの理想的な信頼性データがあります）への製品の進化を推進しています。さらに、窒化ガリウムデバイスの販売価格はシリコンMOSに近づいており、製品の性能、品質、コストはスイートスポットに近づき続けています。また、炭化ケイ素と比較して、シリコン系窒化ガリウム材料自体は、より高い電力効率と低コストを実現できる。600V～1200Vの電圧範囲において、シリコン系窒化ガリウムは非常に競争力のある技術分野となるだろう。さらに、自動車および太陽光発電市場における炭化ケイ素の継続的な応用により、国内外で数十億ドル、あるいは数百億ドル規模の投資が行われています。炭化ケイ素の市場規模は非常に大きいと直感的に感じられる一方、小型充電ヘッドに使用される窒化ガリウムの市場規模ははるかに小さいように感じられます。Yoleが発表したデータによると、炭化ケイ素の市場規模は2025年には2.5億ドル、窒化ガリウムの市場規模は2026年には1億ドルになると予測されています。一見すると、炭化ケイ素の総生産額は確かに窒化ガリウムの数倍です。    しかし、ほとんどの国内企業にとって、炭化ケイ素とシリコン系窒化ガリウムの機会生産価値は実際には同等である。   一つは、基板の生産価値を考慮することである。コスト構造が異なるため、基板との連携がない炭化ケイ素企業の生産価値は大幅に低下する。炭化ケイ素基板のコストは約50%、エピタキシャルウェハのコストは約20%、デバイスの製造、パッケージング、テストのコストは30%です。窒化ガリウム基板のコストはほぼ無視でき、エピタキシャル成長のコストは50%で、残りのデバイス出力価値の割合は高くなります。    2つ目は、車両仕様の出力価値を考慮することです。市場の需要はそれぞれ異なります。炭化ケイ素は自動車の仕様に重点を置いているのに対し、窒化ガリウムは消費に重点を置いています。Yoleが発表したデータによると、2025年には電気自動車市場の需要が全体の約61%を占めると予想されている。Yoleのデータによれば、窒化ガリウムの市場需要の約70%は消費者向けである。現状では、国内の炭化ケイ素メーカーが自動車市場で大規模な用途を実現するには、まだ長い道のりがある。  3つ目は、MOSの出力値を考慮することです。 国内の炭化ケイ素企業は現在、主にSBD市場に集中しており、MOSの出荷はまだ稀である。Yoleが発表したデータによると、MOSの生産額は2022年以降、半分以上を占める見込みです。後期の市場は主に電気自動車が牽引しているため、MOSの割合は増加し続けるでしょう。しかし、炭化ケイ素MOS自体の信頼性やプロセスソースの問題から、国内メーカーが自信を持って大胆に大規模な普及と応用を行うことは依然として困難です。まとめると、国内の炭化ケイ素企業が基板材料、自動車市場、非自動車MOSに対応する生産額を除外した場合、その機会生産額は実際にはシリコンベースの窒化ガリウムとそれほど変わりません。窒化ガリウムと炭化ケイ素の市場成長率がそれぞれ30%と70%であることを考えると、シリコンベースの窒化ガリウムは産業規模の観点から見て良い方向性と言えます。Muscle Man Silicon CarbideとFlash Gallium Nitrideはそれぞれ産業市場と消費者市場（全体）に焦点を当てています。品質要件、市場価格、市場導入サイクルの違いについては、ここでは詳しく議論しません。しかし全体的に見ると、消費者向け用途に重点を置く窒化ガリウムの市場弾力性は高くなるだろう。さらに、炭化ケイ素パワーの開発段階は比較的成熟しているため、中国には基板、エピタキシャル成長、デバイス製造、IDMといった分野で比較的認知度の高い優良企業が少数しか存在せず、起業家にとっての機会は限られている。  
  2. 国内窒化ガリウム企業の機会と利点
  （１）「高成長＋高集中」は新規参入者にチャンスをもたらすYoleが発表したデータによると、2020年の市場規模はわずか4,600万米ドルで、2026年には1.1億米ドルに成長すると予想されています。GaNパワーデバイス市場は、2020年から2026年にかけて70%の成長率を維持し、6年間で23倍になります。このような高い業界成長率は、窒化ガリウムデバイスのサプライチェーンの安定性をどのように確保するかという問題を直接引き起こします。現在、世界の出荷メーカー上位2社であるNavitasとPiが、世界市場シェアの70%以上を占めています。国内ブランドメーカーは主に、どちらか一方の窒化ガリウム充電ソリューションを使用しています。  短期的には、上流のサプライチェーンは高度に集中しており、大手ブランドの電源供給顧客はサプライチェーンのリスクを分散させる必要性が強く求められている。長い目で見れば、シリコンベースのMOS CR5の現在の市場シェアが65%であることを考えると、窒化ガリウムの現在の市場集中度は非常に高く、徐々にシリコンベースの市場構造に近づいている。これは時間の問題である可能性が高い。    （２）中国におけるシリコン系窒化ガリウムの現在の国内総生産量はシリコン系よりも優位である2019年、中国最大のMOSおよびIGBT企業であるChina Resources MicroとSilan Microは、世界市場のそれぞれ3%と2%を占めた。Innosecの現在の窒化ガリウムトラック出荷量は3位になるはずだった。出荷量が少ない国内の窒化ガリウムスタートアップ企業はいくつかあるが、現在の全体的な技術と産業資源の蓄積量も世界的に良い位置を占めている。InfineonやTiのシリコン上の窒化ガリウム製品などの従来のパワーリーダーは、依然として前進するのに苦労している。国内のシリコン上の窒化ガリウム産業では、隅で追い抜かれているわけではないが、国内企業の現在の世界的な地位と窒化ガリウム分野における中国人のコア人材プールを見ると、現在の全体的な進歩状況は確かにシリコンよりもはるかに優れている。  要約すると、急速に拡大する市場において、国内企業は大きなシェアを獲得するだけの力と才能を備えている。       02       「集中型＋閉鎖型」サプライチェーン、価値、リスク
          既存のサプライチェーンは「集中型かつ閉鎖型」であり、市場は少数のサプライヤーによって支配されている。
  既存のサプライチェーンの集中。シリコン系製品とは異なり、窒化ガリウムの材料および製造工程は非常に成熟しており、バッチ検証を通過した生産能力を持つサプライチェーンは現在非常に限られています。海外のファウンドリとしては、主にTSMC、富士通、X-Febなどが挙げられます。国内では、Sanan Integrationが主要企業であり、他のファウンドリも準備を進めています。総じて、国内のサプライチェーン資源は非常に不足しています。  既存のサプライチェーンは閉鎖的である。現在、世界の窒化ガリウムファウンドリの主要生産能力は1社のみに供給されており、設計会社と業界チェーンは緊密な関係にある。出荷量で世界最大のシリコンベース窒化ガリウムデバイス企業であるNavitasは、現在TSMCの窒化ガリウム生産能力のほぼ全てを占有しており、他の顧客が生産能力を確保することは困難である。既存のサプライチェーンの「集中＋閉鎖」は、市場の極めて高い集中度をもたらしている。Navitas、Pi、Innosecの3社がコア生産能力の供給を支配し、市場を牽引しているため、ブランド電源の顧客にとって他の選択肢は難しい状況となっている。  
  サプライチェーンは引き続き集中型かつ閉鎖的な状態が続くと予想される。   連続濃度窒化ガリウムは新しい技術製品であり、あらゆる面での技術開発はまだ比較的初期段階にあります。エンドユーザーも設計会社も、上流のサプライチェーンに対して比較的慎重な姿勢をとっています。実証済みの技術は信頼性が高く、完全な産業チェーンが検証され成熟すれば、設計会社や電源供給会社はサプライチェーンへの参入を加速させるでしょう。新興技術であるため、エコシステム全体はまだ比較的未熟です。成熟したサードパーティ製のエピタキシャルウェハー供給業者が不足しており、窒化ガリウムのエピタキシーおよびプロセスに関する人材も非常に希少であるため、企業が「エピタキシャル＋製造」の生産能力を開放することは非常に困難である。さらに、新たなサプライチェーンの成熟度を出荷を通じて安定させる必要があり、歩留まり率も上昇していく必要があるが、これらはすべて時間がかかる。  エピタキシャルウェハーはどこから来るのですか？現在、「エピタキシャル成長＋製造」は高度に統合されており、バッチ出荷を行う複数のファウンドリが独立したエピタキシャル成長生産能力を有している。したがって、現在市場には、大量のエピタキシャルウェハを出荷している独立した第三者のエピタキシャルウェハメーカーは存在しない。したがって、現在成熟しつつある窒化ガリウムファウンドリなのか、それともこれから構築されるIDMなのかを検討する際には、まず最初に答えるべき問題は、エピタキシャル成長の解決方法と検証期間である。  職人技の才能はどこにあるのだろうか？シリコン基板上に窒化ガリウムを形成するプロセスには、窒化ガリウム材料自体の欠点を完全に理解することが不可欠です。この理解は長年の試行錯誤に基づいており、その結果、この能力を持つコア人材が世界的に不足しています。現在、シリコンを基盤とするパワーデバイスメーカーの中には、窒化ガリウム事業を展開している企業もあります。重要なのは、窒化ガリウムに関するプロセス技術を持つ人材がどこにいるかということです。  現地検証後に反復する、TSMCの研究開発経験から判断すると、エピタキシャル成長とプロセスに関する同社の研究開発プロセス全体は、製品応用で発見された問題に伴って進行し、研究開発の反復を繰り返し、サプライチェーン全体に安定をもたらしてきた。したがって、十分な現場検証データがなければ、エピタキシャル成長であれプロセスであれ、成熟には程遠い。さらに、量産に伴う歩留まりの問題も解決する必要がある。プロセスエンジニアリング能力が最も高い企業であるTSMCは、窒化ガリウムの研究から安定した量産に至るまで5～6年を要した。業界全体の現在の研究開発基盤は以前よりも進歩しているとはいえ、上流の材料や製造工程を突破するのは依然として非常に困難である。「成熟した」エピタキシャル成長やプロセスを見る際には、畏敬の念を抱き、検証サイクルを設ける必要がある。   閉鎖継続シリコンベースの窒化ガリウムは半導体ファウンドリの新興分野であり、TSMCから国内の三安インテグレーションに至るまで、窒化ガリウムの生産能力はまだ始まったばかりであるため、設計会社が参入すると、その会社の生産能力の大部分を占めることになり、生産能力が受注に与える影響は強い共鳴効果をもたらすだろう。デザイン会社は出荷量が多い → 生産能力に対する需要が大きい → 鋳造所のサポートが充実している → サプライチェーンが保証されている → サプライチェーンがより安定している → 顧客からの注文需要が大きい → デザイン会社は出荷量が多い → 生産能力に対する需要が大きい······  
  投資思考、 シリコンをベースとした窒化ガリウム企業にとって、長期的かつ安定した上流サプライチェーンが鍵となる。   出荷速度が最も速いファブレスに投資する場合、リソースが急速に集中するため、出荷が遅れるリスクが非常に高くなります。さまざまな理由により、現在、国内ファブレスは主に国内ファウンドリに依存しているが、国内ファウンドリのエピタキシャル成長技術はまだ成熟段階にあり、生産能力は全体的に小さい。現状では、国内ファブレスGaN-on-Si企業の出荷量は少なく、ファウンドリの生産能力に大きな影響を与える企業は存在しない。そのため、ファブレス企業が参入して大規模な受注を獲得できれば、生産能力を確保することで非常に有利な競争上の地位を築くことができる。一方、成長の遅いファブレスは生産能力を確保できないため、大きなリスクに直面することになる。    「エピタキシャル成長＋製造」技術において豊富な経験を持つIDM（垂直統合型半導体製造装置メーカー）への投資において重要なのは、その技術が実際に製造可能かどうかである。もし製造可能であれば、それは世界的に希少な資源となるだろう。現在、IDM（インテリジェントデバイスメーカー）が窒化ガリウムのエピタキシャル成長と製造プロセスを完了させ、歩留まりと信頼性に関する関連要件を満たすことは非常に困難であり、畏敬の念を抱かせるほどの技術力が必要となる。しかし、いったんそれが実現すれば、先行者利益は非常に大きなものとなるだろう。        03       技術的な道筋は、技術に依存するだけでなく、環境にも依存する。
窒化ガリウムトランジスタは、バンドギャップの異なる2つの材料（通常はAlGaNとGaN）の界面で圧電効果によって形成される二次元電子ガスを介して電気を伝導します。二次元電子ガスは高濃度の電子でのみ電気を伝導するため、シリコンMOSFETボディダイオードの逆回復問題は発生しません。つまり、ゲートとソース間に電圧が印加されていないとき、窒化ガリウムトランジスタのドレインとコンポーネントは導通しており、ノーマリーオンデバイスです。この問題に対処するために、業界では通常2つの解決策があります。1つは、MOSを直列に接続してターンオフ制御を実現するカスケード（Cascode）構造を使用する方法、もう1つは、ゲートにP型窒化ガリウムエピタキシャル層を追加してターンオフ制御を実現するシングルチューブエンハンスメントモード（P-GaN）構造を使用する方法です。技術的な観点から評価すると、これら2つの技術ルートにはそれぞれ長所と短所があり、1つずつ比較することは困難です。シングルチューブエンハンスメント構造の主な欠点は、ゲート信頼性が比較的低く、耐電圧が低いことである。カスケード構造の主な欠点は、寄生インダクタンスによって引き起こされるEMI問題である。  信頼性。異なる技術経路で製造されたゲートは、それぞれ異なる耐衝撃マージンを有しています。P-GaNとカスケードのゲート駆動電圧レベルは一般的に約7Vと18V、ゲートオン電圧は一般的に6Vと8Vです。直接的な問題は、P-GaN構造のゲート耐衝撃マージンがわずか1～2V程度しかないことであり、これが信頼性の面で大きな課題となります。構造的な観点から見ると、カスケードの信頼性はP-GaNよりもはるかに高く、産業レベルのアプリケーションにより適しています。  耐圧性。デバイスの耐電圧。カスコード構造は、シリコンチューブの電圧分割により、比較的高いデバイス耐電圧を実現しています。現在、P-GaNデバイスの耐電圧は650V以下ですが、カスコード構造は1200Vに達することができ、多くの産業グレードの電圧要件を満たすことができます。  電磁干渉。カスケード回路ではシリコン管と窒化ガリウム素子を一体化して封止する必要があり、大きな寄生インダクタンスが発生します。高周波を印加すると、Emiはさらに大きくなります。また、プロセス面では、カスコードとP-GaNはそれぞれ1回と2回のエピタキシャル成長を必要とします。カスコードのプロセス全体の難易度はP-GaNよりも低くなっています。駆動面では、カスコードの駆動は従来のシリコンMOSFETの駆動と全く同じであり、ゲート保護を過度に考慮する必要がなく、要求も比較的低くなっています。コスト面では、ウェハに関して言えば、カスコードはエピタキシャル成長を1回しか行わないため、ウェハコストは低くなりますが、パッケージ全体のコストは高くなります。総合的に見ると、現在のP-GaNの出荷量が多いことから、全体的なコスト水準はP-GaNの方が優れています。  表1 GaNデバイス構造の長所と短所の比較  

type	滝	オプション参加
信頼性	優れた	劣る
寄生インダクタンス	敏感な	鈍感
耐圧性	優れた	劣る
電力	優れた	劣る
プロセスの難しさ	より困難	Disaster
運転の難易度	簡単に	Disaster

        技術的な観点から見ると、両者の最大の違いは、カスケード構造が産業レベルのアプリケーション問題を一時的に解決する点にある。カスケード構造は信頼性と耐電圧特性に優れているため、カスケードアーキテクチャの代表格であるTransphorm社も昨年末に比較的理想的な高電圧デバイスの故障率データを公開しました。現在、産業市場においてはカスケード構造が優位に立っています。シングルチューブエンハンスメントモード構造は、より精密な駆動および電力ソリューションによってP-GaN構造デバイスの信頼性を向上させ、QSTなどの基板技術によって耐電圧レベルを向上させていますが、この技術が徐々に成熟するには時間がかかるでしょう。            しかし、産業技術開発の過程においては、技術そのものに加えて、産業のエコシステムも非常に重要な役割を果たすことが多い。全体として、カスケード構造のPiとTransphormの産業チェーンは比較的閉鎖的であるため、より開放的なシングルチューブ強化構造の産業エコシステムは比較的百花繚乱しており、現在、国内外でOEMサービスを提供する複数のファウンドリがシングルチューブ強化プロセスルートを採用しています。下流の電源管理ICメーカーのほとんどもシングルチューブ強化ソリューションに注力しており、エコシステム全体がこの技術ルートで比較的統一されています。現時点では、シングルチューブ強化産業チェーンの技術反復とコスト最適化が引き続き強化され、短中期的に主流の技術ルートになると予想されます。      04       アプリケーションソリューション、研究開発リソース、そしてビジネスチャンス
         
窒化ガリウムは新興技術です。現状では、総合的なソリューションの設計と応用は、依然として窒化ガリウムデバイスメーカーによって主導されています。しかし、ドライバチップと制御チップを中核としたソリューションを構築する電源管理ICメーカーが徐々に台頭してきています。  表2 GaNの主要プレーヤーの種類  

カテゴリ		代表企業	構造
GaNが優勢	GaN	イノセック	GaN
		ガンシステム	GaN
	GaN + ドライバー制御	Pi	制御駆動型GaNパッケージ
		ナビタス	GaNシングルダイの駆動
電源管理リード	ドライブ＋コントロール	NXP	LLCの支配
		オン・セミコンダクタ	ダイレクトドライブとLLC制御
	GaN + ドライバー制御	ドンケ	GaNを駆動してパッケージングを制御する
		ビイーウェイ	ドライバー+GaN

窒化ガリウム主導企業と電源管理主導企業にはそれぞれ異なる強みがあります。窒化ガリウムデバイス企業の主な強みは、窒化ガリウムデバイスの希少なサプライチェーンリソースを掌握していること、窒化ガリウムデバイスに関する理解が深いこと、関連ソリューションをいち早く市場に投入できることです。一方、電源管理チップ企業の主な強みは、駆動ICおよび制御ICの設計能力、電源ソリューションの設計経験、AC/DC封止技術能力とパッケージングサプライチェーンリソース、そして電源の顧客チャネルです。
理想的な窒化ガリウムソリューションを実現するためには、シリコンベースの窒化ガリウム企業は、優れたパワーデバイスを製造するだけでなく、駆動・制御IC技術や電源ソリューションも非常に重要となる。シリコン上の窒化ガリウム同社は電力会社であり、創業当初は電力供給会社でもあった。シリコンベースのソリューションと比較して、窒化ガリウムソリューションでは、窒化ガリウムデバイスのゲート耐電圧、高周波による信頼性、EMI問題などの問題を解決する必要があります。また、従来のトポロジー構造において、窒化ガリウムの高効率かつ小型という利点を最大限に活用し、その特性を十分に実現する必要があります。したがって、全体的なソリューションには、1. 窒化ガリウムデバイスの特性を十分に理解すること、2. ソリューションレベルで強力な設計最適化能力を持つことが求められます。両者は互いを十分に理解し（非常によく理解し合う必要があり）、研究開発レベルで協力し、反復的に改善していく必要があります（研究開発を統合できる必要があります）。そうすることで、優れた電力ソリューションが実現します。窒化ガリウムデバイス、駆動回路、制御回路の研究開発において全面的に協力することで、優れたソリューションを提供できます。PiとNavitasはどちらも上記の問題を社内で解決することに注力しており、国内のシリコンベースの窒化ガリウム企業も独自のR&DエコシステムとパワーマネジメントIC企業のR&Dエコシステムを構築していることがわかります。国内のGaN-on-Si企業がパワーデバイスとパワーICのR&Dコラボレーションをどのように実現できるか、また、強力なパワーソリューションチームのリソース、技術経験、深いR&Dパートナーを有しているかどうかに注目する必要があります。さらに、現在の主流ソリューションにはPi、Navitas、Innosecが含まれます。これら3社のチップの統合レベルは徐々に低下しています。その中で、Piはコントローラ、ドライバ、GaNデバイスパッケージを使用し、Navitasはドライバと窒化ガリウムデバイスの単一ダイ統合を使用し、Innosecは窒化ガリウム単一チューブを使用しており、3つの異なるソリューションを直接提供しています。現在、主流電源メーカーのソリューションは上記の3つのタイプに集中しています。したがって、主流ソリューションを採用することへの抵抗は比較的小さいです。差別化されたソリューションには、自社構築のシステムが必要です。      05       余談と結論

現在、以下のような見解がいくつか見られます。第一に、窒化ガリウム路線は収益性が低い。第二に、窒化ガリウムの技術閾値は低く、国内の生産能力は建設中である。経済面では、総生産額が増加すれば、各企業の歩留まり率と設備稼働率はより高い水準に達する可能性がある。不完全競争市場として、この路線は短中期的にシリコンベースの電力よりも収益性が高い可能性が高い。生産能力に関しては、現在、メディアで発表されているシリコンベースの窒化ガリウム生産能力プロジェクトが多数ある。興味があれば、それらを一つずつ調べてみるとよい。実際に有効な生産能力はいくつあるのか。また、今後2〜3年で有効になると予想される生産能力はいくつあるのかを評価することもできる。ここでは詳細には触れない。  GaNオンシリコンは新興分野です。現状では、デバイスからソリューションに至るまでの技術開発や、安定した経済的なサプライチェーンの構築は非常に困難です。また、そのような企業やチームも非常に少ないのが現状です。  

上記の問題をうまく解決できれば、ビジネスモデル、企業背景、ウェハサイズ、エピタキシャル成長やデバイス製造の技術ルートといった制約を受けない、稀有なシリコン系窒化ガリウム企業となるだろう。

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