特斯拉大砍SiC，GaN替补上位？

2011年，科锐（现Wolfspeed）公司推出全球首款SiC MOSFET。5年后，特斯拉发布第四款车型Model 3，该车型的主逆变器安装了24个意法半导体（ST）公司生产的SiC MOSFET功率模块。

搭载24个SiC MOSFET功率模块的Model 3主逆变器
（来源：NE时代）

此后，SiC不仅成为半导体厂商激烈涌进的热门赛道，也在全球新能源车市场加速上车。

不过转过头来，特斯拉在今年的投资者日活动上表示，为进一步降低车辆成本，计划在下一代电动汽车动力系统中减少SiC晶体管75%的使用量。

特斯拉计划在下一代电动汽车动力系统中减少SiC 75%的使用量
（来源：特斯拉）

一纸宣言，SiC的发展前景似乎被打上问号。而同为第三代半导体代表材料的氮化镓（GaN），其上车的声音似乎又多了起来。

问

GaN知多少？

1932年，Ｗ.Ｃ.Johnson等人首次报道了在高温环境下制得GaN材料。GaN作为宽禁带半导体材料，具有高击穿电场强度、高热导率、高饱和电子速度，以及良好的稳定性。同时由于极化作用的影响，异质结表面存在高性能的二维电子气（2DEG），基于其制作的器件具有导通电阻低、开关频率高等优势。目前基于GaN材料的主要器件有高电子迁移率晶体管（HEMT）、肖特基势垒二极管（SBD）、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）、发光二极管（LED）等。与SiC器件相比，GaN器件工作频率更高，品质因子更高。

SiC vs GaN（来源：英飞凌）

根据阿里巴巴达摩院发布的“2021十大科技趋势”，其中预测的第一大趋势就是以“GaN、SiC”为代表的第三代半导体迎来应用大爆发。由此可见，作为第三代半导体材料的典型代表，GaN的应用领域存在深挖空间。

而GaN应用版图也正在逐步扩大。目前，作为支撑“新基建”建设的关键核心器件，GaN下游应用切中了“新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁、数据中心、军事雷达等主要领域需求。长远来看，GaN的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，助力“碳达峰、碳中和”目标实现。由此可见，GaN技术及产业链已经初步形成，相关器件正快速发展。

问

GaN在汽车领域的应用

区别于SiC聚焦高压应用，GaN的优势更侧重于高频，可实现高效的功率转换。这也意味着GaN能有效提升产品功率密度，以更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本优势，满足更高的能效要求。

同样区别于SiC直接在汽车领域“开枝散叶”，GaN则是在消费电子市场“潜伏”许久之后，才逐步在数据通信、汽车、工业等市场显露头角。

在汽车领域，GaN主要应用于车载充电器、DC/DC转换器（电压范围为48V至400V）、激光雷达；另如在数据中心方面，GaN器件也逐渐占有一方之地，能提供更为高效紧凑的电力架构。

尽管GaN器件目前主要占据400V以下应用，SiC则在800V及以上的应用中更具优势，但随着GaN器件的改进，Si基GaN的大规模生产，以及价格逐步下探，在800V以上应用市场，GaN场效电晶体（GaNFET）替代SiC MOSFET的潜力似乎也不容小觑。GaNPower此前就已展示过业界首款1200V单芯片（E型GaN功率器件），业界也预测1200V GaN晶体管将在2025年左右推出。

而伴随GaN技术突破，GaN也在进一步撬动市场，产业规模有望爆发。Yole表示，通信和汽车将助推下一个功率GaN浪潮的到来。Yole预测，2027年，功率GaN市场将达到20亿美元，其中，GaN汽车市场价值将超过2.27亿美元，2021年至2027年间的CAGR为99%。

功率GaN市场规模预测

（来源：Yole）

问

哪些企业在布局GaN？

GaN产业链涵盖衬底、外延、IC设计、制造、封装测试等环节。目前主流GaN生产厂家依旧集中在日本、欧美等发达国家。从全球范围来看，住友电工是衬底市场的龙头，Macom、Intel、Wolfspeed等主要占据GaN射频市场，英飞凌、Transphorm等则主要布局功率市场。此外，韩国LG、三星等也都是当前GaN赛道的排头兵。

国内方面，虽然起步相对晚些，技术布局与专利申请数量也与国外企业有一定差距，但后起发力强劲。如苏州纳维、东莞中镓涉足衬底，苏州晶湛半导体布局外延，海特高新代工GaN晶圆生产，南芯半导体主攻快充控制，英诺赛科、三安光电等坚定功率器件方向，海威华芯则在GaN-on-SiC HEMT射频工艺上具有优势，另如矽立杰、晶丰明源、艾为电子、芯朋微、力芯微等皆在快充市场有所涉猎，还有一些新晋玩家源源不断跑步进场。

2023，GaN开局即冲刺

英飞凌收购GaN Systems

3月2日，德国芯片大厂英飞凌官宣，以8.3亿美元的价格收购GaN功率半导体厂商GaN Systems。

GaN Systems成立于2008年，总部位于加拿大渥太华，是为高密度和高可靠性电源转换应用开发GaN解决方案的领导者。为了克服硅在转化速度、温度、电压和电流方面的限制，该公司开发了适用于各种市场的全套GaN功率转化器件。GaN Systems独有的专利技术Island Technology®使其比同类产品更小、更高效，且同时克服了成本、性能以及可制造性的挑战。

此外，英飞凌将斥资20亿欧元扩大其位于马来西亚居林和奥地利菲拉赫工厂的GaN和SiC芯片的产能。对此，英飞凌功率和传感器系统总裁怀特表示，英飞凌特别看好GaN芯片。该公司预测，到2027年，GaN芯片市场将以每年56％的速度增长。

Power Integrations发布900V GaN反激式开关IC

3月20日，Power Integrations正式推出了900V GaN器件，为InnoSwitch3™系列反激式开关IC再添新品。

（来源：Power Integrations）

新IC采用该公司特有的PowiGaN™技术，可提供高达100W的功率，效率超过93%，因而无需散热片，并可简化空间受限型应用的电源设计。据了解，这款新品主要面向的场景包括工业及电动汽车领域。

在电动汽车领域，符合AEC-Q100标准的InnoSwitch3-AQ产品系列适用于基于400V母线系统的电动汽车，900V PowiGaN开关对于进行12V电池替代的系统可提供更大的功率和更高的设计裕量，并且效率高于硅基变换器。InnoSwitch3设计还具有出色的轻载效率，非常适合在低功耗睡眠模式下为电动汽车提供辅助电源。

国内首条GaN半导体激光器芯片量产线投产

3月22日，国内首条GaN半导体激光器芯片量产线投产发布会在广西柳州举行。飓芯科技建成的国内首条GaN半导体激光器芯片量产线包含8大工艺站点，拥有全球领先的半导体量产设备100余台，涵盖衬底、外延，工艺与封测等各生产环节，标志着GaN半导体激光器芯片实现了进口替代和自主可控。

（来源：飓芯科技）
参考资料：
1、程海娟等，《GaN基肖特基势垒二极管的结构优化研究进展》
2、中国电子报，《碳化硅不“香”了？》
3、新视点，《快充黑科技：GaN的深度应用》
4、盖世汽车，《特斯拉大砍SiC英飞凌重押GaN替补上位？》
5、集微网，《Power Integrations 推出900VGaN反激式开关IC 输出功率可达100W》
6、北京首都科技发展集团有限公司，《国内首条GaN半导体激光器芯片量产线发布会举行》