SiC 和 GaN：兩種半導(dǎo)體的故事

來(lái)源：本文由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自Yole，謝謝。

在過(guò)去的幾十年里，全球SiC 和 GaN領(lǐng)域的特點(diǎn)是發(fā)展、行業(yè)接受度不斷提高以及有望實(shí)現(xiàn)數(shù)十億美元的收入。第一個(gè)商用 SiC 器件于 2001 年以德國(guó)英飛凌的肖特基二極管形式出現(xiàn)。隨之而來(lái)的是快速發(fā)展，到 2026 年，該行業(yè)現(xiàn)在有望達(dá)到超過(guò) 40 億美元的市場(chǎng)。

與此同時(shí)，GaN 在 2010 年首次讓行業(yè)專家驚嘆不已，當(dāng)時(shí)總部位于美國(guó)的 EPC 交付了其超快速開(kāi)關(guān)晶體管。雖然其市場(chǎng)采用率尚未與 SiC 相媲美，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達(dá)到 10 億美元。

每種技術(shù)未來(lái)市場(chǎng)成功的秘訣在于電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (EV/HEV)。事實(shí)上，對(duì)于 SiC 而言，EV/HEV 市場(chǎng)目前確實(shí)是最佳選擇——預(yù)計(jì)整個(gè)市場(chǎng)的至少 60%（超過(guò) 25億美元的收入）將來(lái)自該領(lǐng)域。

特斯拉于 2017 年啟動(dòng)了 SiC 功率器件市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)它成為第一家在其 Model 3 的內(nèi)部主逆變器設(shè)計(jì)中添加來(lái)自 STMicroelectronics 的 SiC MOSFET 的汽車(chē)制造商。其他汽車(chē)制造商迅速效仿電動(dòng)汽車(chē)巨頭腳步，包括現(xiàn)代、比亞迪、蔚來(lái)、通用汽車(chē)等。

例如，中國(guó)的吉利汽車(chē)之前宣布與日本羅姆公司合作，為其電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)基于碳化硅的牽引逆變器，而蔚來(lái)也在其車(chē)輛中實(shí)施基于碳化硅的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與此同時(shí)，OEM 汽車(chē)制造商和半導(dǎo)體制造商比亞迪一直在為其整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)系列開(kāi)發(fā) SiC 模塊。

此外，更早之前，中國(guó)電動(dòng)客車(chē)制造商宇通汽車(chē)透露，將在其客車(chē)動(dòng)力總成中使用中國(guó) StarPower 制造的 SiC 功率模塊。這些模塊使用來(lái)自美國(guó) Wolfspeed 的 SiC 器件。

在韓國(guó)，現(xiàn)代汽車(chē)已將英飛凌基于 SiC 的功率模塊用于其電動(dòng)汽車(chē)的 800 V 電池平臺(tái)，而在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中使用 Denso 的 SiC 升壓功率模塊。在美國(guó)，通用汽車(chē)也與 Wolfspeed 簽約，為其 EV 電力電子設(shè)備供應(yīng) SiC。

歐洲講述了一個(gè)不同的故事，那里的汽車(chē)制造商接受 SiC 的速度較慢，但變化正在發(fā)生。去年 6 月，雷諾和 STMicroelectronics 聯(lián)手開(kāi)發(fā)用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件，戴姆勒、奧迪和大眾也發(fā)布了更多消息。

重要的是，對(duì)于 Wolfspeed、英飛凌、STMicroelectronics、ROHM 和 Onsemi 等公司而言，汽車(chē)原始設(shè)備制造商也更愿意從多個(gè)來(lái)源購(gòu)買(mǎi)晶圓和設(shè)備，以確保可靠供應(yīng)?？紤]到中國(guó)和越來(lái)越多的其他國(guó)家正在向 SiC 供應(yīng)鏈投入巨額資金，銷量只會(huì)繼續(xù)上升。

在此過(guò)程中，棘手的成本問(wèn)題也正在得到解決。毫無(wú)疑問(wèn)，在組件層面，硅 IGBT 比 SiC 同類產(chǎn)品便宜得多，而且不會(huì)很快從電源應(yīng)用中消失。但是一級(jí)制造商和原始設(shè)備制造商已經(jīng)表示，將高功率密度 SiC 應(yīng)用到逆變器設(shè)計(jì)中可以降低系統(tǒng)級(jí)成本，因?yàn)樾枰俚慕M件可以節(jié)省空間和重量。

但這對(duì) GaN 有什么影響呢？這種寬帶隙半導(dǎo)體尚未見(jiàn)證 SiC 在 EV/HEV 領(lǐng)域的成功，但由于其高頻運(yùn)行和效率，原始設(shè)備制造商要么對(duì)該技術(shù)懷有濃厚興趣，要么正在制定開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

功率 SiC 器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)

功率 GaN 器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)

早些年，GaN 功率器件已經(jīng)可以在小批量、高端光伏逆變器中找到，并且越來(lái)越多地用于包括智能手機(jī)在內(nèi)的一系列移動(dòng)設(shè)備的快速充電器中。事實(shí)上，愛(ài)爾蘭的Navitas、美國(guó)的Power Integrations，以及中國(guó)的Innoscience，都在為新興的快速充電器市場(chǎng)制造GaN功率IC。

鑒于這一活動(dòng)，GaN 功率器件的收入在 2021 年達(dá)到了約 1 億美元。但隨著 GaN 器件供應(yīng)商尋求進(jìn)入其他市場(chǎng)以提高產(chǎn)量，這一數(shù)字預(yù)計(jì)到 2026 年將增至 10 億美元。EV/HEV市場(chǎng)是第一看點(diǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)中的 GaN 還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)并通過(guò)汽車(chē)認(rèn)證 650 V GaN 器件，用于 EV/HEV 中的車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換，并且已經(jīng)與汽車(chē)企業(yè)建立了無(wú)數(shù)合作伙伴關(guān)系。

例如，總部位于加拿大的 GaN Systems 向美國(guó) EV 初創(chuàng)公司 Canoo 供應(yīng)其用于車(chē)載充電器的設(shè)備，并且還與總部位于加拿大的 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650V GaN 功率設(shè)備集成到 e-滑板車(chē)。同時(shí)，美國(guó)Transphorm與汽車(chē)供應(yīng)商Marelli合作，提供車(chē)載充電和DC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備。

STMicroelectronics 將向雷諾提供其尚未通過(guò)汽車(chē)認(rèn)證的器件用于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，而 EPC 現(xiàn)在提供汽車(chē)認(rèn)證的低壓 GaN，正在與總部位于法國(guó)的 Brightloop 合作開(kāi)發(fā)價(jià)格適中的電源轉(zhuǎn)換器，用于 off-公路和商用車(chē)。更早之前，德州儀器 (TI) 還對(duì)其 650V GaN 器件進(jìn)行了汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證。

但隨著車(chē)載充電器和 DC/DC 細(xì)分市場(chǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁，對(duì)于 GaN 來(lái)說(shuō)，十億美元的問(wèn)題實(shí)際上是該技術(shù)能否應(yīng)用于 EV/HEV 動(dòng)力總成的主逆變器，并獲得驚人的高銷量和高收入SiC 開(kāi)始出現(xiàn)了嗎？早期的行業(yè)發(fā)展表明這是可能的。

早前，荷蘭的 Nexperia 與英國(guó)顧問(wèn) Ricardo 合作開(kāi)發(fā)基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計(jì)。以色列的 VisIC Technologies 與德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商 ZF 合作開(kāi)發(fā)用于 400 V 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導(dǎo)體，此消息迅速發(fā)布。

然后，去年 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項(xiàng)價(jià)值 1 億美元的協(xié)議，為這家德國(guó)汽車(chē)制造商的電動(dòng)汽車(chē)提供 GaN 功率器件的制造能力，這是原始設(shè)備制造商對(duì) GaN 的認(rèn)真態(tài)度的有力證據(jù)。真正重要的一步是，Navitas 將通過(guò)與特殊目的收購(gòu)公司 Live Oak Acquisition 合并，成為一家市值達(dá) 10.4 億美元的上市公司。這家 GaN 功率 IC 廠商最近宣布，它將向總部位于瑞士的 Brusa HyPower 供應(yīng)用于車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，并且作為一家上市公司，它打算將其重點(diǎn)放在 EV/HEV 和其他市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上。

除了交易、合作和合并，GaN 模塊的早期工作還表明這種化合物半導(dǎo)體正在追隨 SiC 的腳步，行業(yè)參與者正在為更廣泛的行業(yè)整合做準(zhǔn)備。例如，GaN Systems 正在為設(shè)計(jì)工程師提供功率評(píng)估模塊套件，而 Transphorm 一直在與富士通通用電子合作開(kāi)發(fā)面向工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的 GaN 模塊。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？隨著功率 SiC 器件制造商準(zhǔn)備迎接 EV/HEV 帶來(lái)的數(shù)十億美元市場(chǎng)，GaN 是否會(huì)經(jīng)歷同樣的成功故事？OEM 在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場(chǎng)預(yù)測(cè)，但目前我們只能拭目以待。