SiC 和 GaN：兩種半導體的故事

來源：本文由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自Yole，謝謝。

在過去的幾十年里，全球SiC 和 GaN領域的特點是發展、行業接受度不斷提高以及有望實現數十億美元的收入。第一個商用 SiC 器件于 2001 年以德國英飛凌的肖特基二極管形式出現。隨之而來的是快速發展，到 2026 年，該行業現在有望達到超過 40 億美元的市場。

與此同時，GaN 在 2010 年首次讓行業專家驚嘆不已，當時總部位于美國的 EPC 交付了其超快速開關晶體管。雖然其市場采用率尚未與 SiC 相媲美，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達到 10 億美元。

每種技術未來市場成功的秘訣在于電動和混合動力電動汽車 (EV/HEV)。事實上，對于 SiC 而言，EV/HEV 市場目前確實是最佳選擇——預計整個市場的至少 60%（超過 25億美元的收入）將來自該領域。

特斯拉于 2017 年啟動了 SiC 功率器件市場，當時它成為第一家在其 Model 3 的內部主逆變器設計中添加來自 STMicroelectronics 的 SiC MOSFET 的汽車制造商。其他汽車制造商迅速效仿電動汽車巨頭腳步，包括現代、比亞迪、蔚來、通用汽車等。

例如，中國的吉利汽車之前宣布與日本羅姆公司合作，為其電動汽車開發基于碳化硅的牽引逆變器，而蔚來也在其車輛中實施基于碳化硅的電驅動系統。與此同時，OEM 汽車制造商和半導體制造商比亞迪一直在為其整個電動汽車系列開發 SiC 模塊。

此外，更早之前，中國電動客車制造商宇通汽車透露，將在其客車動力總成中使用中國 StarPower 制造的 SiC 功率模塊。這些模塊使用來自美國 Wolfspeed 的 SiC 器件。

在韓國，現代汽車已將英飛凌基于 SiC 的功率模塊用于其電動汽車的 800 V 電池平臺，而在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動汽車中使用 Denso 的 SiC 升壓功率模塊。在美國，通用汽車也與 Wolfspeed 簽約，為其 EV 電力電子設備供應 SiC。

歐洲講述了一個不同的故事，那里的汽車制造商接受 SiC 的速度較慢，但變化正在發生。去年 6 月，雷諾和 STMicroelectronics 聯手開發用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件，戴姆勒、奧迪和大眾也發布了更多消息。

重要的是，對于 Wolfspeed、英飛凌、STMicroelectronics、ROHM 和 Onsemi 等公司而言，汽車原始設備制造商也更愿意從多個來源購買晶圓和設備，以確保可靠供應。考慮到中國和越來越多的其他國家正在向 SiC 供應鏈投入巨額資金，銷量只會繼續上升。

在此過程中，棘手的成本問題也正在得到解決。毫無疑問，在組件層面，硅 IGBT 比 SiC 同類產品便宜得多，而且不會很快從電源應用中消失。但是一級制造商和原始設備制造商已經表示，將高功率密度 SiC 應用到逆變器設計中可以降低系統級成本，因為需要更少的組件可以節省空間和重量。

但這對 GaN 有什么影響呢？這種寬帶隙半導體尚未見證 SiC 在 EV/HEV 領域的成功，但由于其高頻運行和效率，原始設備制造商要么對該技術懷有濃厚興趣，要么正在制定開發計劃。

功率 SiC 器件市場預測

功率 GaN 器件市場預測

早些年，GaN 功率器件已經可以在小批量、高端光伏逆變器中找到，并且越來越多地用于包括智能手機在內的一系列移動設備的快速充電器中。事實上，愛爾蘭的Navitas、美國的Power Integrations，以及中國的Innoscience，都在為新興的快速充電器市場制造GaN功率IC。

鑒于這一活動，GaN 功率器件的收入在 2021 年達到了約 1 億美元。但隨著 GaN 器件供應商尋求進入其他市場以提高產量，這一數字預計到 2026 年將增至 10 億美元。EV/HEV市場是第一看點。

電動汽車中的 GaN 還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經開發并通過汽車認證 650 V GaN 器件，用于 EV/HEV 中的車載充電器和 DC/DC 轉換，并且已經與汽車企業建立了無數合作伙伴關系。

例如，總部位于加拿大的 GaN Systems 向美國 EV 初創公司 Canoo 供應其用于車載充電器的設備，并且還與總部位于加拿大的 EV 電機驅動供應商 FTEX 合作，將 650V GaN 功率設備集成到 e-滑板車。同時，美國Transphorm與汽車供應商Marelli合作，提供車載充電和DC/DC轉換設備。

STMicroelectronics 將向雷諾提供其尚未通過汽車認證的器件用于電動汽車應用，而 EPC 現在提供汽車認證的低壓 GaN，正在與總部位于法國的 Brightloop 合作開發價格適中的電源轉換器，用于 off-公路和商用車。更早之前，德州儀器 (TI) 還對其 650V GaN 器件進行了汽車應用認證。

但隨著車載充電器和 DC/DC 細分市場勢頭強勁，對于 GaN 來說，十億美元的問題實際上是該技術能否應用于 EV/HEV 動力總成的主逆變器，并獲得驚人的高銷量和高收入SiC 開始出現了嗎？早期的行業發展表明這是可能的。

早前，荷蘭的 Nexperia 與英國顧問 Ricardo 合作開發基于 GaN 的 EV 逆變器設計。以色列的 VisIC Technologies 與德國汽車供應商 ZF 合作開發用于 400 V 傳動系統應用的 GaN 半導體，此消息迅速發布。

然后，去年 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項價值 1 億美元的協議，為這家德國汽車制造商的電動汽車提供 GaN 功率器件的制造能力，這是原始設備制造商對 GaN 的認真態度的有力證據。真正重要的一步是，Navitas 將通過與特殊目的收購公司 Live Oak Acquisition 合并，成為一家市值達 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 供應用于車載充電器和 DC/DC 轉換器的設備，并且作為一家上市公司，它打算將其重點放在 EV/HEV 和其他市場的產品開發上。

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體正在追隨 SiC 的腳步，行業參與者正在為更廣泛的行業整合做準備。例如，GaN Systems 正在為設計工程師提供功率評估模塊套件，而 Transphorm 一直在與富士通通用電子合作開發面向工業和汽車應用的 GaN 模塊。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？隨著功率 SiC 器件制造商準備迎接 EV/HEV 帶來的數十億美元市場，GaN 是否會經歷同樣的成功故事？OEM 在動力傳動系統逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場預測，但目前我們只能拭目以待。