SiC和GaN两种半导体的故事

化合物半导体有望提供硅无法提供的下一代技术解决方案。

在过去的几十年里，碳化硅和氮化镓技术的进步以发展、行业接受度的提高和有望带来数十亿美元的收入为特征。第一个商用 SiC 器件于 2001 年以德国英飞凌的肖特基二极管形式问世，随之而来的是快速发展，到 2026 年，该行业有望超过 40 亿美元。

GaN 于 2010 年首次震惊了整个行业，当时总部位于美国的 Efficient Power Conversion （EPC） 推出了其超快速开关晶体管。市场采用率尚未与 SiC 相提并论，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能达到 10 亿美元以上。

每种技术未来在市场上取得成功的秘诀在于电动汽车和混合动力电动汽车。对于 SiC，EV/HEV 市场确实是最佳选择；预计超过 30 亿美元的市场中至少有 60% 来自该行业。

特斯拉于 2017 年启动了 SiC 功率器件市场，当时它成为第一家在汽车（Model 3）中使用 SiC MOSFET 的汽车制造商。该设备来自 STMicroelectronics，集成了内部主逆变器设计。其他汽车制造商也迅速效仿，包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。

中国的吉利汽车宣布，它正在与 Rohm Japan 合作为其电动汽车开发基于 SiC 的牵引逆变器。与此同时，汽车制造商兼半导体制造商比亚迪一直在为其整个电动汽车系列开发 SiC 模块。

去年，中国电动客车制造商宇通透露，将在客车动力总成中使用星能中国制造的碳化硅功率模块。这些模块使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

现代汽车将把英飞凌用于 800V 电池平台的基于 SiC 的功率模块集成到电动汽车中。在日本，丰田正在其 Mirai 燃料电池电动汽车中使用 Denso 的 SiC 升压电源模块。通用汽车已与 Wolfspeed 签约，为其 EV 电力电子设备供应 SiC。

欧洲汽车制造商采用SiC的速度较慢，但变化正在发生。6 月，雷诺和 STMicroelectronics 联手开发用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。对于 Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics、Rohm 和 onsemi 来说重要的是，汽车 OEM 也更愿意从多个来源购买晶圆和设备，以确保可靠的供应。考虑到中国和其他国家正在向SiC供应链投入大量资金，销量只会继续上升。

在此过程中，棘手的成本问题也正在得到解决。在组件级别，硅 IGBT 比 SiC 同类产品便宜得多，并且不会很快从电源应用中消失。但是一级制造商和原始设备制造商表示，例如，在逆变器设计中实施高功率密度 SiC 可以降低系统级成本，因为该设计将需要更少的组件，从而节省空间和重量。

但这对GaN有何影响？这种宽带隙半导体尚未见证 SiC 在电动汽车领域的成功。但由于其高频运行和高效率，原始设备制造商要么对该技术怀有浓厚兴趣，要么正在制定开发计划。

早先时候

GaN 功率器件已经可以在小批量、高端光伏逆变器中找到，并且越来越多地用于包括智能手机在内的一系列移动设备的快速充电器中。事实上，爱尔兰的 Navitas Semiconductor、美国的 Power Integrations 和中国的 Innoscience 都在为新兴的快速充电器市场制造 GaN 功率 IC。

鉴于这一活动，GaN功率器件的收入预计将在 2021 年达到约 1 亿美元。但随着 GaN 器件供应商寻求进入其他市场以提高产量，预计到 2026 年这一数字将增至 10 亿美元。而 EV /HEV市场首当其冲。

电动汽车中的 GaN 还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发出用于 EV/HEV 车载充电器和 DC/DC 转换的 650V GaN 器件并通过了汽车认证，并且已经与汽车企业建立了无数合作伙伴关系。

例如，总部位于加拿大的 GaN Systems 向美国 EV 初创公司 Canoo 供应其用于车载充电器的设备，并且还与总部位于加拿大的 EV 电机驱动器供应商 FTEX 合作，将 650-V GaN 功率设备集成到电动踏板车系统中。与此同时，总部位于加州的 Transphorm 与汽车供应商 Marelli 合作，提供车载充电和 DC/DC 转换设备。

STMicroelectronics 有望为雷诺电动汽车应用提供尚未通过汽车认证的器件。目前提供汽车级低压 GaN 器件的 EPC 正与总部位于法国的 Brightloop 合作，为非公路用车和商用车开发经济实惠的电源转换器。去年，德州仪器 （TI） 还对其 650-V GaN 器件进行了汽车应用认证。

随着车载充电器和 DC/DC 细分市场的发展势头越来越强劲，对于 GaN 来说，价值数十亿美元的问题毫不夸张地说是：该技术能否成为电动汽车动力总成的主逆变器，获得与 SiC 技术相当的惊人销量？早期的行业发展表明这是可能的。

2020 年 2 月，荷兰的 Nexperia 与英国顾问 Ricardo 合作开发了基于 GaN 的 EV 逆变器设计。紧接着，以色列的 VisIC Technologies 与德国汽车供应商 ZF 合作开发用于 400-V 传动系统应用的 GaN 半导体。

然后，在 9 月，GaN Systems 与宝马签署了一项价值 1 亿美元的协议，为德国汽车制造商的电动汽车提供 GaN 功率器件的制造能力，这有力地证明了原始设备制造商对 GaN 的重视。

另一个真正重要的进展是，通过与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并，Navitas 将成为一家市值达 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 功率 IC 厂商最近宣布将为总部位于瑞士的 Brusa HyPower 供应用于车载充电器和 DC/DC 转换器的器件。作为一家上市公司，它打算将重点放在 EV/HEV 和其他市场的产品开发上。

除了这些交易、合作伙伴关系和合并之外， GaN模块的早期工作表明化合物半导体正在追随SiC的脚步，行业参与者正在为更广泛的行业整合做准备。例如，GaN Systems 正在为设计工程师提供功率评估模块套件，而 Transphorm 一直在与富士通通用电子合作开发面向工业和汽车应用的 GaN 模块。

那么 SiC 和 GaN 的下一步是什么？随着功率SiC器件制造商预计电动汽车市场将达到数十亿美元，GaN 是否会取得同样的成功？OEM 在动力传动系统逆变器中广泛采用 GaN 将从根本上影响市场预测。但眼下，我们只能拭目以待。

释放化合物半导体的经济驱动潜力

硅基半导体和计算技术的进步在短时间内改变了我们的世界。尽管如此，我们现在已经达到了光靠硅就能带我们走的极限，需要创新的方法来实现我们数字生活的必要进步。

我们新冠疫情方面的集体经验毫无疑问地表明，连接不再是可有可无的。充分意识到我们个人在这个新兴的、相互关联的社会中的作用，需要我们通过我们的智能设备参与日益强大和相互交织的网络。

从物联网、工业 4.0 和 5G/6G 到电动/自动驾驶汽车和增强现实等新技术对现有半导体提出了前所未有的要求。不断提高的性能要求使传统的硅半导体无法应对挑战。

那么，解决办法是什么？在半导体材料本身的层面上有一条前进的道路：我们必须超越硅。并且有一组互补的半导体材料可以提供机会到达硅不能到达的地方。

化合物半导体是指由两种或多种元素形成的化合物，包括氮化镓、砷化镓和磷化铟等材料。这些半导体已经为我们互联世界所依赖的许多技术提供动力。与此同时，它们的采用正在迅速加速（增长速度是硅的两倍），并且它们正在成为电力电子、传感、连接和高级显示应用的主流。

但增长的故事并不止于此。为实现下一波创新，工程师们正在将化合物半导体与硅相结合，以提供新一代产品，这些产品在所提供的性能属性方面将具有高度颠覆性，其规模将使化合物半导体得到大规模采用。

化合物半导体的生长是通过外延生长实现的，外延生长是用于构建原子工程结构的基本生产过程，芯片公司可以从中构建电子和光电设备。通过选择正确的化合物并精确控制材料在基板上的沉积方式，外延晶圆生产商拥有一套独特的材料“工具集”，使他们能够定制晶圆，以实现从功率放大器到传感器的各种设备类型激光。外延实现的定制水平是无与伦比的；因此，它是化合物半导体生态系统的关键组成部分。

硅行业及其制造厂的成功建立在日益先进的光刻技术之上，掌握了连续的工艺节点，从而生产出越来越小的晶体管技术——5 纳米、2 纳米等。外延对于化合物半导体就像光刻对于硅一样。因此，外延将成为我们努力超越基于摩尔定律的传统特征缩放的核心。

但是，如何才能将化合物半导体的潜力变为现实——并教育一个几十年来一直依赖硅基解决方案的行业呢？简而言之，我们需要开放式代工厂来开始生产最先进的化合物半导体。

打个比方，将英特尔与硅片领域的台积电进行比较。英特尔每月处理多少设计？一个或两个？现在考虑台积电，它不断调整其流程以适应各种设计，迫使它不断学习、适应和改进。这些“最佳实践”使链条中的每个人受益，从制造厂一直到最终用户。

同样的情况也出现在化合物半导体领域。一些垂直整合的芯片制造商相信，在内部生产外延是最佳选择。但是，他们永远无法像不断与多个客户就多种设计进行合作的开放式代工厂一样快速或敏捷地学习。这种积累经验和知识的过程使开放获取代工模型在创新竞赛中具有重要优势。

此外，芯片制造的环境问题也不容忽视。半导体行业必须“对碳排放负责”，并将其材料和工艺的生命周期影响降至最低。资源不能再被视为无限的。能源消耗会产生后果。半导体行业必须找到一种方法来建立一个数字化、互连的世界，以适应全球向零净排放的努力。先进的化合物半导体材料正在推动行业创新，并且由于其与硅相比有据可查的性能和效率属性，化合物半导体提供了实现净零的关键组成部分。

我最近与硅行业的几位关键人物进行了交谈，他们强调了这些趋势。他们越来越认识到化合物半导体的重要性，并承认外延的战略重要性。特别是，人们认识到化合物半导体为硅工业提供的支持。

因此，硅和化合物半导体的进步不再是独立的追求；相反，这两个行业正在更广泛地合作以大规模提供颠覆性技术。外延在这项工作中起着至关重要的作用。

半导体对世界经济至关重要。随着对能源效率和无处不在的连接的日益关注，化合物半导体有望提供硅无法提供的下一代技术解决方案。

审核编辑 ：李倩