Der GaN-Markt steht vor einem Durchbruch.

GaN ist eines der aktuellen Schlagwörter auf dem Halbleitermarkt.

Zuvor hat die japanische Halbleiterherstellerin Toshiba Semiconductor, eine Tochter von Toshiba, die Chipproduktion stark erweitert und sich insbesondere auf SiC- und GaN-Chips konzentriert. Anschließend hat der Chiphersteller TSMC die Fertigungskapazitäten für 6-Zoll-Wafer angepasst. Diese Entwicklung hat GaN erneut in die Schlagzeilen gebracht.

Was wird diese Neuigkeit von TSMC für Veränderungen auf dem GaN-Markt bedeuten?

TSMC passt die Kapazitäten für 6- und 8-Zoll-Wafer an

Während die Kapazitäten für fortschrittliche Fertigungsprozesse knapp sind, verringert TSMC schrittweise die Kapazitäten für herkömmliche und unwirtschaftliche Prozesse. Hierbei sind die 6- und 8-Zoll-Fabriken sowie die GaN-Produktion am stärksten betroffen.

Anfang Juli hat TSMC bestätigt, dass es in den nächsten zwei Jahren die GaN-Produktion in seiner Fabrik 5 einstellen und diese in eine Fabrik für fortschrittliche Verkapselung umbauen wird. TSMC war der Pionier in der GaN-Waferfertigung. 2014 führte es diese Technologie erstmals in einer 6-Zoll-Waferfabrik ein, 2015 erweiterte es die Produktion von GaN-Bauelementen und 2021 auch auf die 8-Zoll-Waferfabrik.

Es wird berichtet, dass der heftige Preiswettbewerb von chinesischen Wettbewerbern der entscheidende Faktor für TSMCs strategischen Rückzug aus dem GaN-Bereich ist. Da die GaN-Produktion auf eine begrenzte Skala beschränkt ist und die Gewinne gering sind, entspricht dieser Geschäftszweig nicht mehr der strategischen Ausrichtung von TSMC.

Es ist zu beachten, dass TSMCs GaN-Geschäft hauptsächlich auf 6-Zoll-Wafern erfolgt. Mit dem schrittweisen Rückzug aus dem GaN-Geschäft hat die 6-Zoll-Waferfertigung auch weniger Einsatzmöglichkeiten.

Daten der Finanzdienstleistungsfirma Anue zeigen, dass TSMC derzeit eine monatliche Kapazität von 3.000 bis 4.000 6-Zoll-GaN-Wafern hat. Hierbei nimmt Navitas mehr als die Hälfte der Bestellungen ein, und Ancora Semi ist ebenfalls einer seiner Hauptkunden.

Neueste Meldungen zeigen, dass Navitas eine strategische Partnerschaft mit der taiwanesischen Auftragsfertigungsfirma Powerchip eingegangen ist. Powerchip wird im ersten Halbjahr 2026 mit der Produktion von 100V-GaN-Produkten beginnen und 200mm-Siliziumwafer verwenden. Innerhalb der nächsten 12 bis 24 Monate werden Navitas' bestehende Bestellungen für 650V-Bauelemente schrittweise von TSMC, seinem exklusiven Auftragsfertiger, auf Powerchip verlagert.

Einige Hersteller von Stromversorgungs-ICs haben bereits mitgeteilt, dass sie von TSMC mündlich informiert wurden, dass TSMC Ende 2027 die letzte 6-Zoll-Fabrik schließen wird. Alle damit verbundenen Hochspannungs-(HV-)Prozesse, einschließlich Stromversorgungs-ICs (PMIC), Motortreiber-ICs und Anzeigetreiber-ICs, die höhere Spannungen aushalten müssen, werden davon betroffen sein.

Nach dem Rückzug aus dem 6-Zoll-Waferfertigungsgeschäft besteht die Möglichkeit, dass die leerstehenden Fabrikgebäude und Grundstücke neu genutzt werden. Einige Analysten glauben, dass TSMC diese Standorte wahrscheinlich in Fabriken für fortschrittliche Verkapselung umbauen wird, um seine Expansion in Bereichen wie CoWoS und SoIC zu unterstützen.

Darüber hinaus hat TSMC angekündigt, dass es die Kapazitäten für 8-Zoll-Wafer weiterhin optimieren wird.

Der GaN-Markt wächst stark

TSMCs diese Entwicklung findet gegen den Hintergrund eines stark wachsenden GaN-Marktes statt. Dieser Kontrast hat das Interesse an der zukünftigen Gestalt des GaN-Marktes noch verstärkt.

GaN ist eines der Kernmaterialien der dritten Generation von Halbleitern mit breitem Bandabstand. Es hat ausgezeichnete Eigenschaften wie eine hohe Durchbruchfeldstärke, eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen, eine starke Strahlenresistenz und eine gute chemische Stabilität. Es ist das ideale Material für die Herstellung von optoelektronischen, leistungselektronischen und mikroelektronischen Bauelementen mit breitem Spektrum, hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad.

Neu veröffentlichte Forschungsdaten von TrendForce zeigen, dass der Markt für GaN-Leistungsbauelemente von 390 Millionen US-Dollar im Jahr 2024 auf 3,51 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 steigen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 44 % entspricht.

Die GaN-Technologie hat sich zunächst in Schnellladegeräten für Konsumelektronik hervorgetan. Ihre Eigenschaften wie hoher Wirkungsgrad und hohe Leistungsdichte haben es ermöglicht, dass die Ladegeräte kleiner und tragbarer werden. Heute wird der Anwendungsbereich von GaN schnell erweitert und dringt in die anspruchsvolteren Industri- und Automobilbereiche vor, die höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung stellen. Zu den potenziellen Schwerpunktanwendungen gehören AI-Datenzentren, humanoide Roboter, On-Board-Ladegeräte (OBC) für Elektromobile und photovoltaische Mikroinverter.

Im Bereich der Datenzentren haben Datenzentren einen hohen Bedarf an schneller Rechenleistung und Strom. Laut Daten von TrendForce wird die NVIDIA Blackwell-Plattform 2025 in vollem Umfang eingesetzt und die bestehende Hopper-Plattform ersetzen. Sie wird die Hauptlösung für NVIDIA's hochwertige Grafikprozessoren (GPU) sein und fast 83 % des gesamten Hochwertmarktes einnehmen. Bei AI-Servern wie dem B200 und GB200, die auf hohe Leistung abzielen, kann der Stromverbrauch einer einzelnen GPU über 1000 W betragen.

Angesichts des steigenden Leistungsbedarfs wird die Leistungskapazität jedes Datenzentren-Schaltschranks von 30 bis 40 kW auf 100 kW erhöht. Dies stellt eine große Herausforderung für das Stromversorgungssystem der Datenzentren dar. Die Kombination von GaN und Flüssigkeitskühlungstechnologie wird der Schlüssel zur Verbesserung der Energieeffizienz von AI-Datenzentren sein. Bereits mehrere GaN-Hersteller haben angekündigt, dass sie Partnerschaften mit NVIDIA eingegangen sind.

Bei humanoiden Robotern benötigen die Gelenke präzise, schnell reagierende und kompakte Motorsteuerungssysteme. GaN könnte eine der Schlüssel-Lösungen sein. Bereits mehrere Hersteller haben Referenzentwürfe für Motortreiber von Gelenken humanoider Roboter auf Basis der GaN-Technologie vorgestellt, um eine kompakte und effiziente Bewegungssteuerung zu erreichen.

Im Automobilbereich wird GaN zu einer wichtigen neuen Technologieoption nach Si und SiC. Mit dem steigenden Bedarf von Elektromobilen an höherer Leistung und höherer Energieeffizienz bieten GaN-Leistungsbauelemente mit ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit und geringen Verlustleistung eine ideale Lösung für Wechselrichter und DC-DC-Wandler in Elektromobilen. Viele Hochleistungs-Elektromobile auf dem Markt verwenden bereits GaN-basierte Transistoren und Dioden. Beispielsweise hat die mehrstufige GaN-Lösung in der 800V-Hochspannungsplattform deutliche Fortschritte erzielt, was die Verbreitung der GaN-Technologie in Elektromobilen weiter vorantreiben wird.

Warum hat der Waferfertigungsriese TSMC dann angekündigt, die GaN-Chipfertigung einzustellen, obwohl sich der Markt so gut entwickelt?

Es gibt hauptsächlich zwei Gründe:

Erstens, die technischen Anforderungen für die GaN-Chipfertigung sind nicht besonders hoch, und die Produktion konzentriert sich hauptsächlich auf 6- und 8-Zoll-Wafer. In den letzten zwei Jahren sind mit der Popularität von GaN auch mehr Anbieter auf dem Markt aufgetaucht.

Zweitens, die Fertigung von Wafern mit fortschrittlichen Prozessen ist TSMCs Hauptgeschäft, und die Kapazitätsrendite ist weit höher als bei der GaN-Fertigung. Mit dem explosionsartig steigenden Bedarf an AI-Chips spiegeln TSMCs Entscheidungen zur Kapazitätszuweisung seine Kernstrategie der "Fokussierung auf hochwertige Geschäftsbereiche" wider.

Wer ist der Marktführer bei GaN?

Betrachtet man die Substratmaterialien, gibt es hauptsächlich vier Technologierouten für Galliumnitrid-Bauelemente: Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si), Galliumnitrid auf Saphir (GaN-on-Sapphire), Galliumnitrid auf Siliziumcarbid (GaN-on-SiC) und Galliumnitrid auf Galliumnitrid (GaN-on-GaN). Hierbei ist die Kosten des Siliziumsubstrats nur ein Zehntel des Siliziumcarbids, und es kann die bestehenden 8-Zoll-Siliziumwafer-Fertigungslinien direkt genutzt werden. Daher ist GaN-on-Si die kostengünstigste Technologieroute. Die meisten GaN-Bauelementhersteller auf dem Markt verwenden derzeit die GaN-on-Si-Lösung.

Auf dem globalen Markt für GaN-Leistungsbauelemente sind derzeit Innoscience, die amerikanische Firma Power Integrations, die amerikanische Firma Navitas Semiconductor und die amerikanische Firma EPC führend. Innoscience aus China ist bereits der globale Marktführer. Laut Forschungsdaten von Yole hatten diese vier Unternehmen im Jahr 2023 auf dem globalen Markt für GaN-Leistungsbauelemente Marktanteile von 31 %, 17 %, 16 % und 15 % jeweils. Die Marktanteile der anderen Unternehmen waren wie folgt: GaN Systems 8 %, Infineon 4 %, Transphor 3 % und andere Unternehmen 6 %.

Insbesondere hat Innoscience die weltweit führende Technologie für die Massenproduktion von 8-Zoll-GaN-Wafern. Es ist der weltweit erste IDM-Hersteller, der eine skalierte Massenproduktion erreicht hat. Durch seine eigenentwickelte 3.0-Generations-Prozessplattform hat die Chipausbeute pro Wafer im Vergleich zu 6-Zoll-Wafern um 80 % zugenommen, die Chipherstellungskosten sind um 40 % niedriger als der Durchschnitt auf dem Markt, und die Ausbeute liegt stabil über 95 % (Durchschnitt auf dem Markt: 85 - 90 %). Dieser Durchbruch hat die skalierte Anwendung von GaN-Bauelementen möglich gemacht.

Kürzlich hat Innoscience an der Hongkonger Börse bekannt gegeben, dass es eine Partnerschaft mit NVIDIA eingegangen hat, um die skalierte Implementierung der 800 VDC (800 Volt Gleichstrom)-Stromversorgungsarchitektur in AI-Datenzentren gemeinsam voranzutreiben. Diese Architektur ist ein neues Stromversorgungssystem, das NVIDIA speziell für zukünftige effiziente Megawatt-Berechnungsinfrastrukturen entwickelt hat. Im Vergleich zur herkömmlichen 54V-Stromversorgung hat es deutliche Vorteile in Bezug auf Systemeffizienz, Wärmeverlust und Zuverlässigkeit und kann die AI-Rechenleistung um das 100- bis 1000-fache erhöhen.

Wird GaN SiC überholen?

Das Interesse an GaN scheint etwa 1 bis 2 Jahre später als an SiC gekommen zu sein.

Im Bereich der Leistungselektronik können herkömmliche Si-basierte Bauelemente die Anforderungen an Hochfrequenz-, Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen nicht mehr erfüllen. SiC verringert den Leitungsverlust dank seines breiten Bandabstands, hoher Durchbruchfeldstärke und hoher Wärmeleitfähigkeit. GaN verringert den Schaltverlust mit seiner hohen Elektronenbeweglichkeit und einzigartigen Heterostruktur.

Nehmen wir als Beispiel den Vergleich der Schalteffizienz von SiC und GaN in einer 3-kW-Stromversorgung von Infineon:

Nach einer Schaltfrequenz von über 200 kHz sinkt die Schalteffizienz von Siliziumcarbid deutlich. Bei der derzeit gängigen Frequenz von 500 kHz in GaN-Stromversorgungen sinkt die Effizienz von Siliziumcarbid um 1 %.

Bei Hochtemperatur- und Hochspannungsanwendungen ist GaN nicht so gut wie Siliziumcarbid. Wenn man die Siliziumcarbid- und GaN-Leistungstransistoren auf dem Markt vergleicht, ist der Wert von 600 bis 800 V die Grenze. GaN wird hauptsächlich in Konsumprodukten unter diesem Spannungswert eingesetzt, während Siliziumcarbid in der Regel in Hochwertanwendungen über diesem Spannungswert verwendet wird.

Man kann also feststellen, dass in der aktuellen Praxis die Aufgaben von SiC und GaN klar getrennt sind und sich nicht gegenseitig beeinträchtigen.

Aber in einigen überlappenden Anwendungsbereichen wird GaN zu einer stärkeren Option.

Daniel Murphy, Technischer Marketingdirektor der Cambridge GaN Devices, sagte: "In einigen Anwendungen könnte GaN die einzige Lösung sein. Beispielsweise steigt der Strombedarf von Datenzentren mit der zunehmenden Anzahl von Künstlichen-Intelligenz-Prozessoren exponentiell. Hier können die Vorteile von GaN-Leistungsbauelementen genutzt werden."

Zum Kostenproblem sagte Daniel Murphy: "GaN hat sich als zuverlässig erwiesen, und die frühen Probleme im Zusammenhang mit Designherausforderungen sind größtenteils gelöst. Mit der Reife der GaN-Technologie wird man erwarten, dass die Preise auf ein Niveau sinken, das mit Standard-Silizium vergleichbar ist." Doug Bailey, Marketing-Vizepräsident von Power Integrations, sagte auch: "Die Herstellungskosten von GaN-Bauelementen sind nicht höher als die von Siliziumbauelementen, da man die gleichen Produktionslinien wie für Silizium verwenden kann und nur relativ geringfügige Anpassungen vornehmen muss."

Mit der weiteren Reife der GaN-Technologie könnte es viele überraschende Entwicklungen auf dem Halbleitermarkt geben.

Außerdem, wenn GaN-Bauelemente erfolgreich die Drain-Source-Spannung erhöhen können, ohne ihre derzeit großen Herstellungsvorteile zu verlieren, besteht die Möglichkeit, dass sie sich aus dem Bereich der Konsumelektronik (z. B. USB-Ladegeräte und Netzteiladapter) befreien und in Anwendungen mit höherer Leistung eindringen, in denen derzeit SiC-Leistungsbauelemente dominieren.

Heute haben bereits Hersteller ihre 1700V-GaN-Lösungen vorgestellt. Beispielsweise hat Power Integrations ein neues Mitglied der InnoMux-2-Serie von einstufigen, unabhängig einstellbaren Mehrfachausgangs-Offline-Stromversorgungs-ICs vorgestellt. Dieser Chip wird mit der proprietären PowiGaN-Technologie von PI hergestellt und unterstützt die Verwendung höherer Bussspannungen. Er ist der weltweit erste 1700V-GaN-Schalt-IC und das erste GaN-Bauelement über 1250V.

Das Team von Guangdong Zhien Technology hat zusammen mit dem Team von Professor Hao Yue und Professor Zhang Jincheng des Guangzhou-In