碳化硅和氮化镓：两种半导体的故事

  在过去的几十年中，全球SiC 和 GaN领域的特点是发展、行业接受度逐步的提升以及有望实现数十亿美元的收入。第一个商用 SiC 器件于 2001 年以德国的形式出现。随之而来的是加快速度进行发展，到 2026 年，这个行业部门现在有望达到超过 40 亿美元的市场。

  与此同时，GaN 于 2010 年首次让行业权威人士惊叹，当时美国 EPC 推出了其超快速开关晶体管。市场采用率尚未达到 SiC 的水平，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能达到 10 亿美元。

  每种技术未来市场成功的秘诀在于电动和混合动力电动汽车 （EV/HEV）。事实上，对于 SiC，EV/HEV 市场目前确实是最佳市场——预计至少 60% 的总市场（收入超过 $2.5B 收入）将来自该领域。

  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其 Model 3 的内部主逆变器设计中添加来自意法半导体的 SiCMOSFET的汽车制造商。足迹，包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。

  例如，中国的吉利汽车最近宣布正在与日本合作为其电动汽车提供基于 SiC 的牵引逆变器，而中国对特斯拉的回应——蔚来汽车将在其车辆中实施基于 SiC 的电驱动系统。与此同时，OEM汽车制造商与半导体制造商比亚迪一直在为其全线电动汽车开发碳化硅模块。

  此外，就在去年，中国电动客车制造商宇通透露将在其客车的动力系统中使用中国 StarPower 制造的 SiC功率模块。这些模块使用来自美国 Wolfspeed 的 SiC 器件。

  在韩国，现代汽车已将英飞凌基于 SiC 的功率模块用于其电动汽车的 800 V 电池平台，而在日本，丰田则在其 Mirai 燃料电池电动汽车中使用 Denso 的 SiC 升压功率模块。在美国，通用汽车公司刚刚与 Wolfspeed 签约，为其电动汽车电力电子设备供应碳化硅。

  欧洲讲述了一个不同的故事，汽车制造商接受 SiC 的速度较慢，但变化正在进行中。今年 6 月，雷诺和意法半导体联手为电动汽车和混合动力汽车开发 SiC 和 GaN 器件，预计戴姆勒、奥迪和大众汽车将很快发布更多公告。

  重要的是，对于 Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、ROHM 和 Onsemi 等公司而言，汽车 OEM 也更愿意从多个来源购买晶圆和设备以确保可靠供应。考虑到中国和慢慢的变多的其他几个国家正在向 SiC 供应链注入巨额资金，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。毫无疑问，在组件级别，硅IGBT比等效的 SiC 便宜得多，并且不会很快从电源应用中消失。但一级制造商和原始设备制造商表示，将高功率密度 SiC 实施到逆变器设计中，可以在系统级减少相关成本，这要归功于可能因需要更少的组件而节约空间和重量。

  但这对 GaN 有何影响？这种宽带隙半导体尚未见证 SiC 在 EV/HEV 领域的成功，但由于其高频操作和效率，原始设备制造商要么以浓厚的兴趣关注该技术，要么正在进行开发计划。

  GaN 功率器件已然浮现在小体积的高端光伏逆变器中，并且慢慢的变多地用于包括智能手机在内的一系列移动电子设备的快速充电器。事实上，爱尔兰的 Navitas、美国的 Power Integrations 以及中国的 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，预计 2021 年 GaN 功率器件收入将达到约 1 亿美元。但随着 GaN 器件供应商寻求进入别的市场以提高产量，预计到 2026 年这一数字将激增至 10 亿美元。以及 EV/HEV市场是最先观察的。

  GaN 在电动汽车中的应用还处于早期阶段。许多功率 GaN厂商已经开发并自动认证了 650 V GaN 设备，用于车载充电器和 EV/HEV 中的DC/DC转换，并且已经与汽车企业建立了无数的合作伙伴关系。

  例如，加拿大的 GaN Systems 为美国电动汽车初创公司Canoo 提供车载充电器设备，还与加拿大电动汽车电机驱动供应商 FTEX 合作，将 650V GaN 功率设备集成到电子系统滑板车。同时，美国Transphorm与汽车供应商Marelli合作，提供车载充电和DC/DC转换设备。

  STMicroelectronics 预计将向雷诺提供其尚未通过汽车认证的 EV 应用设备，而现在提供汽车认证的低压 GaN 的 EPC 正在与总部在法国的 Brightloop 合作开发价格合理的电源转换器，用于关闭公路和商用车。去年，德州仪器（TI） 还对其用于汽车应用的 650V GaN 器件进行了认证。

  但是，随着车载充电器和 DC/DC 细分市场的发展势头强劲，对于 GaN 而言，这个 10 亿美元的问题其实就是该技术是否将其应用于 EV/HEV 动力系统的主逆变器，并获得惊人的高产量和高收入那个 SiC 开始看到了？早期的行业发展表明这是可能的。

  然后，在今年 9 月，GaN Systems 与宝马签署了 1 亿美元的协议，为这家德国汽车制造商的电动汽车提供制造 GaN 功率器件的能力，这有力地证明了 OEM 对 GaN 的重视。真正意义重大的一步是，纳微将与特殊目的收购公司 Live OakAcquisition 合并，成为市值 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 电源 IC 厂商最近宣布将向总部在瑞士的 Brusa HyPower 供应用于车载充电器和 DC/DC转换器的设备，作为一家上市公司，该公司打算将其重心放在电动汽车/混合动力汽车和别的市场的产品研究开发上。

  除了交易、合作伙伴关系和合并之外，GaN 模块的早期工作还表明，这种化合物半导体正在追随 SiC 的脚步，行业参与者正准备进行更广泛的行业整合。例如，GaN Systems 正在为设计工程师提供电源评估模块套件，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？作为功率 SiC 器件制造商为电动汽车/混合动力汽车带来的数十亿美元市场准备好，GaN 会经历同样的成功故事吗？OEM 在传动系统逆变器中广泛采用 GaN 将从根本上影响市场预测，但现在，我们只可以拭目以待。

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  拥有高压、高频和高效率等特性，其耐高频耐高温的性能，是同等硅器件耐压的10倍。

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  中的电源系统要更少的串联开关，从而提供了简化和可靠的系统布局。 随着新行业和产品采用电子和

  材料的双雄。GaN具有更宽的“带隙（band-gap）”，因此与硅基电子科技类产品相比具有许多优势。

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  特性，早期应用于发光二极管中，它与常用的硅属于同一元素周期族，硬度高熔点高稳定性强。

  材料，具有宽带隙、高热导率等特点，应用在充电器可适配小型变压器和高功率器件，充电效率高。

  的“Baliga特性指标（与硅相比，硅是1）相比，4H-SiC是500，而

  ，他们都具有许多非常优异的特性：耐压高，导通电阻小，寄生参数小等。他们也有各自与众不同的特性：

  ”（WBG）。在带隙宽度中，硅为1.1eV，SiC为3.3eV，GaN为3.4eV，因此宽带隙

  和GaN为代表物质制作的器件具有更大的输出功率和更好的频率特性。 2、分类状况

  射频器件具有高导热性能和大功率射频输出优势，适用于5G基站、卫星、雷达等领域；硅

  ，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm。

  化合物都可承受更高的电压、更高的频率和更复杂的电子科技类产品。这一些因素可能导致

  。基于GaN的功率器件具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的导热性和更低的导通电阻，其性能明显优于硅基器件。

  ，他们都具有许多非常优异的特性：耐压高，导通电阻小，寄生参数小等。他们也有各自与众不同的特性：

  化合物都能承受比硅更高的频率、更高的电压和更复杂的电子科技类产品。SiC 和 GaN 功率器件的采用现在是不可否认

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  材料，凭借其耐高温、耐高压、高频的特性在功率器件领域得到了广泛的应用。尤其是

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  5G将于2020年将迈入商用，加上汽车走向智慧化、联网化与电动化的趋势，将带动第三代

  (GaN)的发展。根据拓墣产业研究院估计，2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元，而GaN基板产值仅约3百万美元。