中國粉體網訊 碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，一度被視為新能源汽車領域的理想材料。
特斯拉，曾打響SiC上車的第一槍。
2011年，科銳（現Wolfspeed）公司推出全球首款SiC MOSFET。5年后，特斯拉發布第四款車型Model 3，該車型的主逆變器安裝了24個意法半導體（ST）公司生產的SiC MOSFET功率模塊。
搭載24個SiC MOSFET功率模塊的Model 3主逆變器（來源：NE時代）
此后，SiC不僅成為半導體廠商激烈涌進的熱門賽道，也在全球新能源車市場加速上車。
不過轉過頭來，特斯拉在今年的投資者日活動上表示，為進一步降低車輛成本，計劃在下一代電動汽車動力系統中減少SiC晶體管75%的使用量。
特斯拉計劃在下一代電動汽車動力系統中減少SiC 75%的使用量（來源：特斯拉）
一紙宣言，SiC的發展前景似乎被打上問號。而同為第三代半導體代表材料的氮化鎵（GaN），其上車的聲音似乎又多了起來。
GaN知多少？
1932年，Ｗ.Ｃ.Johnson等人首次報道了在高溫環境下制得GaN材料。GaN作為寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場強度、高熱導率、高飽和電子速度，以及良好的穩定性。同時由于極化作用的影響，異質結表面存在高性能的二維電子氣（2DEG），基于其制作的器件具有導通電阻低、開關頻率高等優勢。目前基于GaN材料的主要器件有高電子遷移率晶體管（HEMT）、肖特基勢壘二極管（SBD）、金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管（MISFET）、發光二極管（LED）等。與SiC器件相比，GaN器件工作頻率更高，品質因子更高。
SiC vs GaN（來源：英飛凌）
根據阿里巴巴達摩院發布的“2021十大科技趨勢”，其中預測的第一大趨勢就是以“GaN、SiC”為代表的第三代半導體迎來應用大爆發。由此可見，作為第三代半導體材料的典型代表，GaN的應用領域存在深挖空間。
而GaN應用版圖也正在逐步擴大。目前，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，GaN下游應用切中了“新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵、數據中心、軍事雷達等主要領域需求。長遠來看，GaN的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電（電能生產），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰、碳中和”目標實現。由此可見，GaN技術及產業鏈已經初步形成，相關器件正快速發展。
GaN在汽車領域的應用
區別于SiC聚焦高壓應用，GaN的優勢更側重于高頻，可實現高效的功率轉換。這也意味著GaN能有效提升產品功率密度，以更小的尺寸、更輕的重量和更低的總成本優勢，滿足更高的能效要求。
同樣區別于SiC直接在汽車領域“開枝散葉”，GaN則是在消費電子市場“潛伏”許久之后，才逐步在數據通信、汽車、工業等市場顯露頭角。
在汽車領域，GaN主要應用于車載充電器、DC/DC轉換器（電壓范圍為48V至400V）、激光雷達；另如在數據中心方面，GaN器件也逐漸占有一方之地，能提供更為高效緊湊的電力架構。
盡管GaN器件目前主要占據400V以下應用，SiC則在800V及以上的應用中更具優勢，但隨著GaN器件的改進，Si基GaN的大規模生產，以及價格逐步下探，在800V以上應用市場，GaN場效電晶體（GaNFET）替代SiC MOSFET的潛力似乎也不容小覷。GaNPower此前就已展示過業界首款1200V單芯片（E型GaN功率器件），業界也預測1200V GaN晶體管將在2025年左右推出。
而伴隨GaN技術突破，GaN也在進一步撬動市場，產業規模有望爆發。Yole表示，通信和汽車將助推下一個功率GaN浪潮的到來。Yole預測，2027年，功率GaN市場將達到20億美元，其中，GaN汽車市場價值將超過2.27億美元，2021年至2027年間的CAGR為99%。
功率GaN市場規模預測（來源：Yole）
哪些企業在布局GaN？
GaN產業鏈涵蓋襯底、外延、IC設計、制造、封裝測試等環節。目前主流GaN生產廠家依舊集中在日本、歐美等發達國家。從全球范圍來看，住友電工是襯底市場的龍頭，Macom、Intel、Wolfspeed等主要占據GaN射頻市場，英飛凌、Transphorm等則主要布局功率市場。此外，韓國LG、三星等也都是當前GaN賽道的排頭兵。
國內方面，雖然起步相對晚些，技術布局與專利申請數量也與國外企業有一定差距，但后起發力強勁。如蘇州納維、東莞中鎵涉足襯底，蘇州晶湛半導體布局外延，海特高新代工GaN晶圓生產，南芯半導體主攻快充控制，英諾賽科、三安光電等堅定功率器件方向，海威華芯則在GaN-on-SiC HEMT射頻工藝上具有優勢，另如矽立杰、晶豐明源、艾為電子、芯朋微、力芯微等皆在快充市場有所涉獵，還有一些新晉玩家源源不斷跑步進場。
2023，GaN開局即沖刺
英飛凌收購GaN Systems
3月2日，德國芯片大廠英飛凌官宣，以8.3億美元的價格收購GaN功率半導體廠商GaN Systems。
GaN Systems成立于2008年，總部位于加拿大渥太華，是為高密度和高可靠性電源轉換應用開發GaN解決方案的領導者。為了克服硅在轉化速度、溫度、電壓和電流方面的限制，該公司開發了適用于各種市場的全套GaN功率轉化器件。GaN Systems獨有的專利技術Island Technology®使其比同類產品更小、更高效，且同時克服了成本、性能以及可制造性的挑戰。
此外，英飛凌將斥資20億歐元擴大其位于馬來西亞居林和奧地利菲拉赫工廠的GaN和SiC芯片的產能。對此，英飛凌功率和傳感器系統總裁懷特表示，英飛凌特別看好GaN芯片。該公司預測，到2027年，GaN芯片市場將以每年56％的速度增長。
Power Integrations發布900V GaN反激式開關IC
3月20日，Power Integrations正式推出了900V GaN器件，為InnoSwitch3™系列反激式開關IC再添新品。
（來源：Power Integrations）
新IC采用該公司特有的PowiGaN™技術，可提供高達100W的功率，效率超過93%，因而無需散熱片，并可簡化空間受限型應用的電源設計。據了解，這款新品主要面向的場景包括工業及電動汽車領域。
在電動汽車領域，符合AEC-Q100標準的InnoSwitch3-AQ產品系列適用于基于400V母線系統的電動汽車，900V PowiGaN開關對于進行12V電池替代的系統可提供更大的功率和更高的設計裕量，并且效率高于硅基變換器。InnoSwitch3設計還具有出色的輕載效率，非常適合在低功耗睡眠模式下為電動汽車提供輔助電源。
國內首條GaN半導體激光器芯片量產線投產
3月22日，國內首條GaN半導體激光器芯片量產線投產發布會在廣西柳州舉行。颶芯科技建成的國內首條GaN半導體激光器芯片量產線包含8大工藝站點，擁有全球領先的半導體量產設備100余臺，涵蓋襯底、外延，工藝與封測等各生產環節，標志著GaN半導體激光器芯片實現了進口替代和自主可控。
（來源：颶芯科技）
參考資料：
1、程海娟等，《GaN基肖特基勢壘二極管的結構優化研究進展》
2、中國電子報，《碳化硅不“香”了？》
3、新視點，《快充黑科技：GaN的深度應用》
4、蓋世汽車，《特斯拉大砍SiC英飛凌重押GaN替補上位？》
5、集微網，《Power Integrations 推出900V GaN反激式開關IC 輸出功率可達100W》
6、北京首都科技發展集團有限公司，《國內首條GaN半導體激光器芯片量產線發布會舉行》
（中國粉體網編輯整理/長安）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
