宽禁带半导体前景乐观

对电子设备的需求激增正在推动半导体行业多个领域的增长。制造商通过使用非传统产品和应用程序添加差异化服务来寻求竞争优势。这一趋势的受益者是宽带隙 （WBG） 半导体，由于一系列应用程序供应商的兴趣激增，它经历了更新。

与硅等传统半导体相比，WBG 半导体是具有相对较宽带宽间隙的材料。WBG 使设备能够在高电压、温度和频率下工作，主要用于延长电子设备的电池寿命。

在电力电子领域，氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 宽带隙半导体被用作在高温和高功率领域减缓硅的解决方案。

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WBG 半导体市场增长的重要影响因素包括对提高能源效率的需求不断增长以及对长寿命电池的需求增加。

GaN Systems 销售和营销副总裁 Larry Spaziani 在接受EE TIMES采访时 谈到了宽带隙半导体背后的技术、市场前景和机遇。以下是讨论的摘录：

EE TIMES：您认为 WBG 市场将走向何方？

最好的即兴回答无处不在，但这并不是 100% 正确。然而，它几乎无处不在，这是事实。该预测来自市场各个细分市场的以下亮点：-

个人电脑/便携式市场：GaN 已经进入 AC/DC 领域，2019 年底大量 GaN 适配器进入市场，并在 2020 年量产。大多数 AC/DC、手机、平板电脑和笔记本电脑将继续使用硅，因为电压低于 30V。硅仍然在这个领域占据主导地位，并将持续一段时间。除了适配器中偶尔出现的 SiC 二极管之外，SiC 还没有进入这个市场。

服务器市场：在 AC/DC 方面，功率密度正在推动 100W/in3 和 99% 的效率，因此需要 WBG。碳化硅首先以碳化硅二极管进入市场，但氮化镓现在开始在服务器开关电源中占据主导地位。由于服务器电源正在向 48V 迁移，因此 100V GaN 与低电压硅相结合开始上升。到 2024 年，几乎每台服务器都将在 AC/DC 侧由 WBG 主导，并且在 48V AC/DC 侧将含有大量 GaN。

电机驱动器——工业：尽管电压很高，硅仍然主导着大多数电机驱动器。然而，GaN 和 SiC 都在以高效变频驱动以及有源前端 （AFE） 的形式进入电机驱动系统。这个市场非常保守，适应新技术的速度会很慢，但到 2025 年，该市场的 10% 到 15% 将发生转变。随着 WBG 产品的可靠性和成本满足市场需求，转换步伐将加快。

消费电子（电视、电器、音频）：高度成本敏感的市场，提供广泛的产品，这些市场的高端版本已经开始根据价格和产品供应转向 WBG，主要是 GaN。到 2020 年中期或后期，该部门的这一部分的百分之五十 （50） 将转变为世界银行集团。

在电视中，可以将甚高频 AC/DC 电源做得超薄。它为高端市场提供了非常纤薄的电视。2019-2020年，大部分高端音频系统也转向GaN，随着价格的降低，低端消费音频也将拥抱它。

在电器中，全球效率要求和需求迫使高端压缩机电机和功率因数校正电路采用 GaN 和 SiC。再次，随着价格的下降，中低端产品将进行调整。

高可靠性/军用：由于市场价值、性能、尺寸和重量的减少，这曾经是，现在仍然是 GaN 和 SiC 最快的拥护者之一。它也值得市场，因为它证明了 WBG 与其他产品相比的可靠性。

太阳能/储能：这个市场对采用新技术非常敏感且非常谨慎，但在过去五 （5） 年中，WBG 产品已经慢慢渗透到市场。对于太阳能装置，由于宇宙辐射需要全球电压和降额，因此更高电压的碳化硅非常重要。SiC 的宇宙辐射性能优于 IGBT。尽管 GaN 比 SiC 更好，但 GaN 尚不具备太阳能逆变器所需的高电压。然而，氮化镓正以两种方式进入这个市场：

能量存储系统 - 日常电池充电和放电的地方。GaN 提供高效节能和更低的拥有成本。

具有多电平转换器的太阳能逆变器——尽管更复杂，但与 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客户同时考虑两者。

最后是汽车市场。展望未来，这将是 WBG 产品的最大市场，SiC 于 2018 年首先开始渗透。由于具有更高的性能和可靠性，GaN 将在 2020-21 年迅速迎头赶上。在电动汽车 （EV） 市场中，有：

车载充电：在这里，尺寸、重量和效率是考虑因素。因此，几乎全球都采用 GaN 和 SiC。

AC/DC 转换：将 400V 或 800V EV 电池转换为 12V 或 48V 是每辆车的一项功能。它还需要小尺寸的重量并将使用 WBG。

牵引逆变器：硅 IGBT 在 2020 年主导市场，但大多数牵引公司已经开发出基于 SiC 的牵引逆变器。随着大电流 GaN 开关的可用性和高可靠性，大多数已经建立了基于 GaN 的牵引逆变器。到 2025 年，高端电动汽车市场将采用 WBG 设备，到 2030 年大部分将被转换。

EE TIMES：你认为谁或什么是主导力量？（如市场、技术趋势、公司）

主导决策的市场力量将决定采用率和设计。在电力电子领域，以下市场力量促使主导公司和趋势出现：-

WBG 最初以 SiC 二极管的形式采用，以提高开关电源的效率。SiC二极管的早期进入存在一些质量问题，因此我们认为WBG器件的整体主导力量是成本和可靠性。推动销量增长的市场是电动汽车 （EV） 市场以及对续航里程更长的电动汽车和电池成本更低的需求。

成本：电力电子博览会，在整个 21 世纪的头几十年都受到价格的限制。所以，当WBG产品高价进入市场时，市场反应迟缓。主要关注采用 WBG 改变了这一点。来自 SiC 和 GaN 公司的 WBG 器件现在已经到了第 4 代或第 5 代，在某些领域价格已经接近甚至超过了硅价格，因此采用率正在上升。

例如，基于硅的 GaN 最终具有与硅超结 MOSFET 一样低或更低的潜在成本，例如，因为步骤数量很少，所以速率由外延生长时间决定。

SiC 建立在 SiC 晶片上，并且比 GaN 成熟了几年，正在达到成本的平坦曲线，预计未来几年的总成本将高于硅和 GaN。

可靠性：这种市场力量被认为是好的，因为 30 年来，硅器件已被证明是非常可靠的。然而，随着 WBG 的进入，以及电动汽车等新市场的进入，可靠性已成为 WBG 采用的主导因素。可靠性通过时间故障数 （FIT） 或每十亿小时的故障数来衡量。例如，优质硅器件需要 《1 的 FIT 率，许多器件的 WBG 小于 0.1，以 SiC 模块的方式从 《0.1 FIT 到数十 （10s） 甚至数百 （100s） 不等。

我们相信市场的真正赢家将有合理的成本和路线图以继续降低价格，而且还将拥有庞大的经过验证的供应链，以确保客户获得与硅相同的订单的可靠供应和可靠性。

EE TIMES：在您看来，该行业如何解决高成本、数量有限和供应链受限等十年之久的问题？

无论技术如何，所有客户都关心成本和供应链。在这方面，WBG和Silicon是相似的。然而，碳化硅和氮化镓的发展存在差异。

硅在锭中生长，然后被切割成晶片，而 SiC 则在 Boules 中生长，这在质量和数量上都很难遇到。有几家供应商，领先的供应商是 Cree，后者供应更大的公司，如 ST、ON、英飞凌及其自己的部门 Wolfspeed。在这一点上，一旦电动汽车市场开始，业界最大的担忧之一是 SiC 的可用性。Cree 宣布在 2019 年进行 10 亿美元的产能扩张，但考虑到功率分立市场约为 180 亿美元，这意味着供应有限。

商用和汽车 GaN 是在标准硅晶片上开发的，并且大部分使用标准 CMOS 工艺。限制能力不足的是 EPI 室，在 9-12 个月的交货时间内，它可以缩放到任何体积。因此，GaN 没有任何限制性的供应链问题。

SiC 和 GaN 的供应商都有不同的技术，因此在大多数情况下，没有多个来源。因此，客户正在系统级别接触各种来源。例如，在服务器电源中，一张数据卡可以与多个供应商的产品一起开发，两者都可以合格。其他供应商，例如 GaN Systems，已签订多源协议（与罗姆半导体），以减轻客户的担忧。

关于成本，所有 WBG 开发人员都承受了第 3、4 和 5 代以减小尺寸和价格标签。尽管 SiC 和 GaN 在 2020 年已经达到了不同程度的采用点，但它们的总市场份额仍然很低。他们都认为 到 2025 年的复合年增长率 （CAGR） 接近 30%，因为成本已经下降，而且正如行业所证明的那样，WBG 产品的额外成本会带来价值。

审核编辑：彭静