化合物半導體有望提供硅無法提供的下一代技術解決方案。

在過去的幾十年里，碳化硅和氮化鎵技術的進步以發展、行業接受度的提高和有望帶來數十億美元的收入為特征。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問世，隨之而來的是快速發展，到 2026 年，該行業有望超過 40 億美元。

GaN 于 2010 年首次震驚了整個行業，當時總部位于美國的 Efficient Power Conversion （EPC） 推出了其超快速開關晶體管。市場采用率尚未與 SiC 相提并論，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達到 10 億美元以上。

每種技術未來在市場上取得成功的秘訣在于電動汽車和混合動力電動汽車。對于 SiC，EV/HEV 市場確實是最佳選擇；預計超過 30 億美元的市場中至少有 60% 來自該行業。

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汽車（Model 3）中使用 SiC MOSFET 的汽車制造商。該設備來自 STMicroelectronics，集成了內部主逆變器設計。其他汽車制造商也迅速效仿，包括現代、比亞迪、蔚來、通用汽車等。

中國的吉利汽車宣布，它正在與 Rohm Japan 合作為其電動汽車開發基于 SiC 的牽引逆變器。與此同時，汽車制造商兼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。

去年，中國電動客車制造商宇通透露，將在客車動力總成中使用星能中國制造的碳化硅功率模塊。這些模塊使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

現代汽車將把英飛凌用于 800V 電池平臺的基于 SiC 的功率模塊集成到電動汽車中。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動汽車中使用 Denso 的 SiC 升壓電源模塊。通用汽車已與 Wolfspeed 簽約，為其 EV 電力電子設備供應 SiC。

歐洲汽車制造商采用SiC的速度較慢，但變化正在發生。6 月，雷諾和 STMicroelectronics 聯手開發用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。對于 Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics、Rohm 和 onsemi 來說重要的是，汽車 OEM 也更愿意從多個來源購買晶圓和設備，以確保可靠的供應?？紤]到中國和其他國家正在向SiC供應鏈投入大量資金，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。在組件級別，硅 IGBT 比 SiC 同類產品便宜得多，并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表示，例如，在逆變器設計中實施高功率密度 SiC 可以降低系統級成本，因為該設計將需要更少的組件，從而節省空間和重量。

但這對GaN有何影響？這種寬帶隙半導體尚未見證 SiC 在電動汽車領域的成功。但由于其高頻運行和高效率，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。

早先時候

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 Semiconductor、美國的 Power Integrations 和中國的 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功率器件的收入預計將在 2021 年達到約 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，預計到 2026 年這一數字將增至 10 億美元。而 EV /HEV市場首當其沖。

電動汽車中的 GaN 還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經開發出用于 EV/HEV 車載充電器和 DC/DC 轉換的 650V GaN 器件并通過了汽車認證，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 電機驅動器供應商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設備集成到電動踏板車系統中。與此同時，總部位于加州的 Transphorm 與汽車供應商 Marelli 合作，提供車載充電和 DC/DC 轉換設備。

STMicroelectronics 有望為雷諾電動汽車應用提供尚未通過汽車認證的器件。目前提供汽車級低壓 GaN 器件的 EPC 正與總部位于法國的 Brightloop 合作，為非公路用車和商用車開發經濟實惠的電源轉換器。去年，德州儀器 （TI） 還對其 650-V GaN 器件進行了汽車應用認證。

隨著車載充電器和 DC/DC 細分市場的發展勢頭越來越強勁，對于 GaN 來說，價值數十億美元的問題毫不夸張地說是：該技術能否成為電動汽車動力總成的主逆變器，獲得與 SiC 技術相當的驚人銷量？早期的行業發展表明這是可能的。

2020 年 2 月，荷蘭的 Nexperia 與英國顧問 Ricardo 合作開發了基于 GaN 的 EV 逆變器設計。緊接著，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。

然后，在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項價值 1 億美元的協議，為德國汽車制造商的電動汽車提供 GaN 功率器件的制造能力，這有力地證明了原始設備制造商對 GaN 的重視。

另一個真正重要的進展是，通過與特殊目的收購公司 Live Oak Acquisition 合并，Navitas 將成為一家市值達 10.4 億美元的上市公司。這家 GaN 功率 IC 廠商最近宣布將為總部位于瑞士的 Brusa HyPower 供應用于車載充電器和 DC/DC 轉換器的器件。作為一家上市公司，它打算將重點放在 EV/HEV 和其他市場的產品開發上。

除了這些交易、合作伙伴關系和合并之外， GaN模塊的早期工作表明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器件制造商預計電動汽車市場將達到數十億美元，GaN 是否會取得同樣的成功？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。但眼下，我們只能拭目以待。

釋放化合物半導體的經濟驅動潛力

硅基半導體和計算技術的進步在短時間內改變了我們的世界。盡管如此，我們現在已經達到了光靠硅就能帶我們走的極限，需要創新的方法來實現我們數字生活的必要進步。

我們新冠疫情方面的集體經驗毫無疑問地表明，連接不再是可有可無的。充分意識到我們個人在這個新興的、相互關聯的社會中的作用，需要我們通過我們的智能設備參與日益強大和相互交織的網絡。

從物聯網、工業 4.0 和 5G/6G 到電動/自動駕駛汽車和增強現實等新技術對現有半導體提出了前所未有的要求。不斷提高的性能要求使傳統的硅半導體無法應對挑戰。

那么，解決辦法是什么？在半導體材料本身的層面上有一條前進的道路：我們必須超越硅。并且有一組互補的半導體材料可以提供機會到達硅不能到達的地方。

化合物半導體是指由兩種或多種元素形成的化合物，包括氮化鎵、砷化鎵和磷化銦等材料。這些半導體已經為我們互聯世界所依賴的許多技術提供動力。與此同時，它們的采用正在迅速加速（增長速度是硅的兩倍），并且它們正在成為電力電子、傳感、連接和高級顯示應用的主流。

但增長的故事并不止于此。為實現下一波創新，工程師們正在將化合物半導體與硅相結合，以提供新一代產品，這些產品在所提供的性能屬性方面將具有高度顛覆性，其規模將使化合物半導體得到大規模采用。

化合物半導體的生長是通過外延生長實現的，外延生長是用于構建原子工程結構的基本生產過程，芯片公司可以從中構建電子和光電設備。通過選擇正確的化合物并精確控制材料在基板上的沉積方式，外延晶圓生產商擁有一套獨特的材料“工具集”，使他們能夠定制晶圓，以實現從功率放大器到傳感器的各種設備類型激光。外延實現的定制水平是無與倫比的；因此，它是化合物半導體生態系統的關鍵組成部分。

硅行業及其制造廠的成功建立在日益先進的光刻技術之上，掌握了連續的工藝節點，從而生產出越來越小的晶體管技術——5 納米、2 納米等。外延對于化合物半導體就像光刻對于硅一樣。因此，外延將成為我們努力超越基于摩爾定律的傳統特征縮放的核心。

但是，如何才能將化合物半導體的潛力變為現實——并教育一個幾十年來一直依賴硅基解決方案的行業呢？簡而言之，我們需要開放式代工廠來開始生產最先進的化合物半導體。

打個比方，將英特爾與硅片領域的臺積電進行比較。英特爾每月處理多少設計？一個或兩個？現在考慮臺積電，它不斷調整其流程以適應各種設計，迫使它不斷學習、適應和改進。這些“最佳實踐”使鏈條中的每個人受益，從制造廠一直到最終用戶。

同樣的情況也出現在化合物半導體領域。一些垂直整合的芯片制造商相信，在內部生產外延是最佳選擇。但是，他們永遠無法像不斷與多個客戶就多種設計進行合作的開放式代工廠一樣快速或敏捷地學習。這種積累經驗和知識的過程使開放獲取代工模型在創新競賽中具有重要優勢。

此外，芯片制造的環境問題也不容忽視。半導體行業必須“對碳排放負責”，并將其材料和工藝的生命周期影響降至最低。資源不能再被視為無限的。能源消耗會產生后果。半導體行業必須找到一種方法來建立一個數字化、互連的世界，以適應全球向零凈排放的努力。先進的化合物半導體材料正在推動行業創新，并且由于其與硅相比有據可查的性能和效率屬性，化合物半導體提供了實現凈零的關鍵組成部分。

我最近與硅行業的幾位關鍵人物進行了交談，他們強調了這些趨勢。他們越來越認識到化合物半導體的重要性，并承認外延的戰略重要性。特別是，人們認識到化合物半導體為硅工業提供的支持。

因此，硅和化合物半導體的進步不再是獨立的追求；相反，這兩個行業正在更廣泛地合作以大規模提供顛覆性技術。外延在這項工作中起著至關重要的作用。

半導體對世界經濟至關重要。隨著對能源效率和無處不在的連接的日益關注，化合物半導體有望提供硅無法提供的下一代技術解決方案。

審核編輯 ：李倩