化合物半導(dǎo)體有望提供硅無(wú)法提供的下一代技術(shù)解決方案。

在過(guò)去的幾十年里，碳化硅和氮化鎵技術(shù)的進(jìn)步以發(fā)展、行業(yè)接受度的提高和有望帶來(lái)數(shù)十億美元的收入為特征。第一個(gè)商用 SiC 器件于 2001 年以德國(guó)英飛凌的肖特基二極管形式問(wèn)世，隨之而來(lái)的是快速發(fā)展，到 2026 年，該行業(yè)有望超過(guò) 40 億美元。

GaN 于 2010 年首次震驚了整個(gè)行業(yè)，當(dāng)時(shí)總部位于美國(guó)的 Efficient Power Conversion （EPC） 推出了其超快速開(kāi)關(guān)晶體管。市場(chǎng)采用率尚未與 SiC 相提并論，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達(dá)到 10 億美元以上。

每種技術(shù)未來(lái)在市場(chǎng)上取得成功的秘訣在于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。對(duì)于 SiC，EV/HEV 市場(chǎng)確實(shí)是最佳選擇；預(yù)計(jì)超過(guò) 30 億美元的市場(chǎng)中至少有 60% 來(lái)自該行業(yè)。

特斯拉于 2017 年啟動(dòng)了 SiC 功率器件市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)它成為第一家在汽車（Model 3）中使用 SiC MOSFET 的汽車制造商。該設(shè)備來(lái)自 STMicroelectronics，集成了內(nèi)部主逆變器設(shè)計(jì)。其他汽車制造商也迅速效仿，包括現(xiàn)代、比亞迪、蔚來(lái)、通用汽車等。

中國(guó)的吉利汽車宣布，它正在與 Rohm Japan 合作為其電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)基于 SiC 的牽引逆變器。與此同時(shí)，汽車制造商兼半導(dǎo)體制造商比亞迪一直在為其整個(gè)電動(dòng)汽車系列開(kāi)發(fā) SiC 模塊。

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

現(xiàn)代汽車將把英飛凌用于 800V 電池平臺(tái)的基于 SiC 的功率模塊集成到電動(dòng)汽車中。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動(dòng)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(shè)備供應(yīng) SiC。

歐洲汽車制造商采用SiC的速度較慢，但變化正在發(fā)生。6 月，雷諾和 STMicroelectronics 聯(lián)手開(kāi)發(fā)用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。對(duì)于 Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics、Rohm 和 onsemi 來(lái)說(shuō)重要的是，汽車 OEM 也更愿意從多個(gè)來(lái)源購(gòu)買晶圓和設(shè)備，以確?？煽康墓?yīng)。考慮到中國(guó)和其他國(guó)家正在向SiC供應(yīng)鏈投入大量資金，銷量只會(huì)繼續(xù)上升。

在此過(guò)程中，棘手的成本問(wèn)題也正在得到解決。在組件級(jí)別，硅 IGBT 比 SiC 同類產(chǎn)品便宜得多，并且不會(huì)很快從電源應(yīng)用中消失。但是一級(jí)制造商和原始設(shè)備制造商表示，例如，在逆變器設(shè)計(jì)中實(shí)施高功率密度 SiC 可以降低系統(tǒng)級(jí)成本，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)將需要更少的組件，從而節(jié)省空間和重量。

但這對(duì)GaN有何影響？這種寬帶隙半導(dǎo)體尚未見(jiàn)證 SiC 在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的成功。但由于其高頻運(yùn)行和高效率，原始設(shè)備制造商要么對(duì)該技術(shù)懷有濃厚興趣，要么正在制定開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

早先時(shí)候

GaN 功率器件已經(jīng)可以在小批量、高端光伏逆變器中找到，并且越來(lái)越多地用于包括智能手機(jī)在內(nèi)的一系列移動(dòng)設(shè)備的快速充電器中。事實(shí)上，愛(ài)爾蘭的 Navitas Semiconductor、美國(guó)的 Power Integrations 和中國(guó)的 Innoscience 都在為新興的快速充電器市場(chǎng)制造 GaN 功率 IC。

鑒于這一活動(dòng)，GaN功率器件的收入預(yù)計(jì)將在 2021 年達(dá)到約 1 億美元。但隨著 GaN 器件供應(yīng)商尋求進(jìn)入其他市場(chǎng)以提高產(chǎn)量，預(yù)計(jì)到 2026 年這一數(shù)字將增至 10 億美元。而 EV /HEV市場(chǎng)首當(dāng)其沖。

電動(dòng)汽車中的 GaN 還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于 EV/HEV 車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換的 650V GaN 器件并通過(guò)了汽車認(rèn)證，并且已經(jīng)與汽車企業(yè)建立了無(wú)數(shù)合作伙伴關(guān)系。

例如，總部位于加拿大的 GaN Systems 向美國(guó) EV 初創(chuàng)公司 Canoo 供應(yīng)其用于車載充電器的設(shè)備，并且還與總部位于加拿大的 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設(shè)備集成到電動(dòng)踏板車系統(tǒng)中。與此同時(shí)，總部位于加州的 Transphorm 與汽車供應(yīng)商 Marelli 合作，提供車載充電和 DC/DC 轉(zhuǎn)換設(shè)備。

STMicroelectronics 有望為雷諾電動(dòng)汽車應(yīng)用提供尚未通過(guò)汽車認(rèn)證的器件。目前提供汽車級(jí)低壓 GaN 器件的 EPC 正與總部位于法國(guó)的 Brightloop 合作，為非公路用車和商用車開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電源轉(zhuǎn)換器。去年，德州儀器 （TI） 還對(duì)其 650-V GaN 器件進(jìn)行了汽車應(yīng)用認(rèn)證。

隨著車載充電器和 DC/DC 細(xì)分市場(chǎng)的發(fā)展勢(shì)頭越來(lái)越強(qiáng)勁，對(duì)于 GaN 來(lái)說(shuō)，價(jià)值數(shù)十億美元的問(wèn)題毫不夸張地說(shuō)是：該技術(shù)能否成為電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的主逆變器，獲得與 SiC 技術(shù)相當(dāng)?shù)捏@人銷量？早期的行業(yè)發(fā)展表明這是可能的。

2020 年 2 月，荷蘭的 Nexperia 與英國(guó)顧問(wèn) Ricardo 合作開(kāi)發(fā)了基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計(jì)。緊接著，以色列的 VisIC Technologies 與德國(guó)汽車供應(yīng)商 ZF 合作開(kāi)發(fā)用于 400-V 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導(dǎo)體。

然后，在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項(xiàng)價(jià)值 1 億美元的協(xié)議，為德國(guó)汽車制造商的電動(dòng)汽車提供 GaN 功率器件的制造能力，這有力地證明了原始設(shè)備制造商對(duì) GaN 的重視。

另一個(gè)真正重要的進(jìn)展是，通過(guò)與特殊目的收購(gòu)公司 Live Oak Acquisition 合并，Navitas 將成為一家市值達(dá) 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(yīng)用于車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的器件。作為一家上市公司，它打算將重點(diǎn)放在 EV/HEV 和其他市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上。

除了這些交易、合作伙伴關(guān)系和合并之外， GaN模塊的早期工作表明化合物半導(dǎo)體正在追隨SiC的腳步，行業(yè)參與者正在為更廣泛的行業(yè)整合做準(zhǔn)備。例如，GaN Systems 正在為設(shè)計(jì)工程師提供功率評(píng)估模塊套件，而 Transphorm 一直在與富士通通用電子合作開(kāi)發(fā)面向工業(yè)和汽車應(yīng)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(yù)計(jì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)將達(dá)到數(shù)十億美元，GaN 是否會(huì)取得同樣的成功？OEM 在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場(chǎng)預(yù)測(cè)。但眼下，我們只能拭目以待。

釋放化合物半導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)潛力

硅基半導(dǎo)體和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步在短時(shí)間內(nèi)改變了我們的世界。盡管如此，我們現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了光靠硅就能帶我們走的極限，需要?jiǎng)?chuàng)新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)我們數(shù)字生活的必要進(jìn)步。

我們新冠疫情方面的集體經(jīng)驗(yàn)毫無(wú)疑問(wèn)地表明，連接不再是可有可無(wú)的。充分意識(shí)到我們個(gè)人在這個(gè)新興的、相互關(guān)聯(lián)的社會(huì)中的作用，需要我們通過(guò)我們的智能設(shè)備參與日益強(qiáng)大和相互交織的網(wǎng)絡(luò)。

從物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè) 4.0 和 5G/6G 到電動(dòng)/自動(dòng)駕駛汽車和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)對(duì)現(xiàn)有半導(dǎo)體提出了前所未有的要求。不斷提高的性能要求使傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體無(wú)法應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

那么，解決辦法是什么？在半導(dǎo)體材料本身的層面上有一條前進(jìn)的道路：我們必須超越硅。并且有一組互補(bǔ)的半導(dǎo)體材料可以提供機(jī)會(huì)到達(dá)硅不能到達(dá)的地方。

化合物半導(dǎo)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(dǎo)體已經(jīng)為我們互聯(lián)世界所依賴的許多技術(shù)提供動(dòng)力。與此同時(shí)，它們的采用正在迅速加速（增長(zhǎng)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(jí)顯示應(yīng)用的主流。

但增長(zhǎng)的故事并不止于此。為實(shí)現(xiàn)下一波創(chuàng)新，工程師們正在將化合物半導(dǎo)體與硅相結(jié)合，以提供新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在所提供的性能屬性方面將具有高度顛覆性，其規(guī)模將使化合物半導(dǎo)體得到大規(guī)模采用。

化合物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)是通過(guò)外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的，外延生長(zhǎng)是用于構(gòu)建原子工程結(jié)構(gòu)的基本生產(chǎn)過(guò)程，芯片公司可以從中構(gòu)建電子和光電設(shè)備。通過(guò)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(chǎn)商擁有一套獨(dú)特的材料“工具集”，使他們能夠定制晶圓，以實(shí)現(xiàn)從功率放大器到傳感器的各種設(shè)備類型激光。外延實(shí)現(xiàn)的定制水平是無(wú)與倫比的；因此，它是化合物半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

硅行業(yè)及其制造廠的成功建立在日益先進(jìn)的光刻技術(shù)之上，掌握了連續(xù)的工藝節(jié)點(diǎn)，從而生產(chǎn)出越來(lái)越小的晶體管技術(shù)——5 納米、2 納米等。外延對(duì)于化合物半導(dǎo)體就像光刻對(duì)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(tǒng)特征縮放的核心。

但是，如何才能將化合物半導(dǎo)體的潛力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——并教育一個(gè)幾十年來(lái)一直依賴硅基解決方案的行業(yè)呢？簡(jiǎn)而言之，我們需要開(kāi)放式代工廠來(lái)開(kāi)始生產(chǎn)最先進(jìn)的化合物半導(dǎo)體。

打個(gè)比方，將英特爾與硅片領(lǐng)域的臺(tái)積電進(jìn)行比較。英特爾每月處理多少設(shè)計(jì)？一個(gè)或兩個(gè)？現(xiàn)在考慮臺(tái)積電，它不斷調(diào)整其流程以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)，迫使它不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)和改進(jìn)。這些“最佳實(shí)踐”使鏈條中的每個(gè)人受益，從制造廠一直到最終用戶。

同樣的情況也出現(xiàn)在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域。一些垂直整合的芯片制造商相信，在內(nèi)部生產(chǎn)外延是最佳選擇。但是，他們永遠(yuǎn)無(wú)法像不斷與多個(gè)客戶就多種設(shè)計(jì)進(jìn)行合作的開(kāi)放式代工廠一樣快速或敏捷地學(xué)習(xí)。這種積累經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的過(guò)程使開(kāi)放獲取代工模型在創(chuàng)新競(jìng)賽中具有重要優(yōu)勢(shì)。

此外，芯片制造的環(huán)境問(wèn)題也不容忽視。半導(dǎo)體行業(yè)必須“對(duì)碳排放負(fù)責(zé)”，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(wú)限的。能源消耗會(huì)產(chǎn)生后果。半導(dǎo)體行業(yè)必須找到一種方法來(lái)建立一個(gè)數(shù)字化、互連的世界，以適應(yīng)全球向零凈排放的努力。先進(jìn)的化合物半導(dǎo)體材料正在推動(dòng)行業(yè)創(chuàng)新，并且由于其與硅相比有據(jù)可查的性能和效率屬性，化合物半導(dǎo)體提供了實(shí)現(xiàn)凈零的關(guān)鍵組成部分。

我最近與硅行業(yè)的幾位關(guān)鍵人物進(jìn)行了交談，他們強(qiáng)調(diào)了這些趨勢(shì)。他們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到化合物半導(dǎo)體的重要性，并承認(rèn)外延的戰(zhàn)略重要性。特別是，人們認(rèn)識(shí)到化合物半導(dǎo)體為硅工業(yè)提供的支持。

因此，硅和化合物半導(dǎo)體的進(jìn)步不再是獨(dú)立的追求；相反，這兩個(gè)行業(yè)正在更廣泛地合作以大規(guī)模提供顛覆性技術(shù)。外延在這項(xiàng)工作中起著至關(guān)重要的作用。

半導(dǎo)體對(duì)世界經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。隨著對(duì)能源效率和無(wú)處不在的連接的日益關(guān)注，化合物半導(dǎo)體有望提供硅無(wú)法提供的下一代技術(shù)解決方案。

審核編輯 ：李倩