隨著寬禁帶半導體材料成本得到明顯下降，其應用情況將會發(fā)生明顯變化。

編者按：

近年來，以氮化鎵和碳化硅兩種主要新材料為代表的寬禁帶半導體，展示出高頻、高壓、高溫等獨特的性能優(yōu)勢，迎來新的發(fā)展機遇。目前，從市場領域來看，寬禁帶半導體材料已于快充、新能源汽車、光伏、風電、高鐵等多領域實現(xiàn)應用。其中，氮化鎵主要面向PD電源類居多，而碳化硅主要應用于新能源汽車領域。

但從使用情況來看，相比于其他材料，寬禁帶半導體材料的市場占有率并沒有明顯突出。本期《對話》欄目以寬禁帶半導體為主題，邀請到行業(yè)的資深技術人員參與探討，分別從成本、研發(fā)進展、產品性能等方面進一步剖析寬禁帶半導體市場的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢。

對話問題導覽：

1.據您了解，相比于其他材料，寬禁帶半導體材料目前的成本優(yōu)勢是否明顯?替代其他材料的情況如何?

2.目前，貴公司在寬禁帶半導體的研發(fā)進度如何?取得了哪些技術或市場突破?

3.在同應用場景下，您認為寬禁帶半導體實現(xiàn)彎道超車的關鍵是什么?請簡要說明原因。

4.與上游寬禁帶半導體供應商合作中，有哪些問題對您或貴公司產生了困擾?您有哪些建議?

5.下游應用商經常提到，寬禁帶半導體產品工藝欠缺，會出現(xiàn)抗浪涌和穩(wěn)定性不足等情況。您對此有哪些比較好的看法或建議?

6.簡要談談寬禁帶半導體整體的市場空間或發(fā)展趨勢。

對話嘉賓：

1.據您了解，相比于其他材料，寬禁帶半導體材料目前的成本優(yōu)勢是否明顯?替代其他材料的情況如何?

PI Doug Bailey：GaN和SiC器件廣泛用于大容量市場。例如在消費領域，GaN是大功率、緊湊型充電器的首選，而SiC在電動汽車應用中占據主導地位。經濟性討論將更多地集中在系統(tǒng)成本而不是單個器件價格上。從這個角度看，寬禁帶半導體材料可以降低系統(tǒng)成本，因為能夠使用更少或額定耐壓更低的寬禁帶半導體器件替代傳統(tǒng)的硅器件。

當然，在許多情況下，應用要求的性能只有寬禁帶半導體器件才具備，因此成本是次要的，但也是重要的考慮因素。我們認為器件價格不會成為客戶嘗試寬禁帶半導體器件的障礙。

氮矽科技柯威：目前業(yè)內都比較看好氮化鎵在2023年可以達到與之前的硅基器件價格水平，之后甚至可以更有價格優(yōu)勢。相信具有價格優(yōu)勢后的氮化鎵替代硅基器件只是時間問題了。

硅動力陳瀏陽：基于硅襯底的GaN目前成本已經逐步下降，在消費類產品中可以量產代替一些價格比較高的功率器件，比如超結MOS。

鎵未來張大江：寬禁帶半導體材料對于高壓器件有優(yōu)勢，比如說650V MOS，采用硅平面工藝，其內阻90%以上都來自于用于承受耐壓的外延層，因此需要非常大的晶圓面積來實現(xiàn)低內阻低導通損耗。而采用寬禁帶半導體材料，盡管材料成本/制造成本高于硅器件，但是晶圓面積縮小，總體成本能做到與硅器件相當，而開關性能改善數倍。電壓越高，寬禁帶半導體材料的優(yōu)勢越明顯，對于耐壓900V以上器件，氮化鎵和碳化硅的成本明顯低于硅MOS。

努比亞陳可珠：氮化鎵剛剛興起的時候可能材料會貴，最早是納微推出，作為美國廠家，定價非常高，所以很多廠家因此望而卻步，那時候相差到七八倍以上。現(xiàn)在價格基本上已經與平面MOS持平，跟英飛凌等廠家比應該還低一點，比國產的平面MOS可能會高一點，就在中間價位。

目前只要超過45W以上普通充電器基本上已經在使用氮化鎵。現(xiàn)在唯一是，可能由于價格和環(huán)境溫度，傳統(tǒng)的適配器用得不多。因為氮化鎵散熱方面還是會差一點。

康奈可田啟榮：寬禁帶半導體材料成本上還是高于幾倍，整體來說替代率不是特別高，目前還在慢慢推廣的過程中。

航嘉馳源吳開友：總體成本肯定是會有一定的差異。前期開發(fā)投入的費用比較大，但是對于我們來說，從設計單到自有產品的結構還是有優(yōu)勢的。因為模組研發(fā)后，在布板時接手了其他的材質，可以繼承很多東西。

目前市場來講，大家都在這方面發(fā)力。100W以下的小功率電源，采用寬禁帶半導體材料會比較多，替換會快一點，因為它的耐抗沖擊、穩(wěn)定的性能更優(yōu)。從產品的穩(wěn)定性來講，大功率電源暫時很少大批量地采用寬禁帶半導體材料。

比亞迪雷野：不明顯，價格相對來說還是比較高。我們目前用的碳化硅比較多，性能上如果有需求要用到氮化鎵，我們是會用到的。寬禁帶半導體材料目前不存在替代，都是并行的，還是看應用狀態(tài)，要考慮原則性和成本。行業(yè)不健全的話，我們應用端也沒法大量的使用。我們去探索也不合適，買個樣品都很貴。

南京綠芯黃斌：價格大概高百分之二三十。現(xiàn)在寬禁帶半導體材料替代其他材料才剛剛開始。

愛仕特晏然：前半年是沒有優(yōu)勢的，像碳化硅的價格是硅材料的5~10倍。氮化鎵相對來說成本會便宜一些，但碳化硅相對硅材料來說是貴了很多。但是從功率器件來講，一片晶圓切割出來的同樣規(guī)格的產品比硅的數量要多很多，所以同樣規(guī)格的情況下，碳化硅器件的價格平均下來可能是硅的3~5倍。

目前材料替代主要是針對硅基的元器件，它達不到性能的情況下是可以替代的，但是如果僅僅從價格的角度來講，是沒有這種機會的。

瞻芯電子田俊龍：寬禁帶半導體材料對整個行業(yè)來說還是偏貴。不光是從材料還是器件來說，目前市面上大家都開始在用，只是受限于價格原因，很多領域都還沒有大量使用。我估計未來3~5年之內，可能降到IGBT兩倍左右的價格。

現(xiàn)在碳化硅沒有全面替代硅，只是部分在某些型號或某些電壓等級下，做了一些計劃。目前市場主要還是以硅為主，碳化硅只在汽車電子市場是主要的應用場景，像其他的光伏、新能源、充電樁領域，可能有部分的應用。

長城科技陳濤：現(xiàn)在寬禁帶半導體材料成本沒有優(yōu)勢。因為不同類型的產品對應的應用場景不同，整體來說，應用在我們產品上還是很貴，交期也不好。我們主要是做開關電源，除非是高精尖的產品才會去用新材料，普通的產品用不起，根本就沒必要用那么好的材料。

2.目前，貴公司在寬禁帶半導體的研發(fā)進度如何?取得了哪些技術或市場突破?

硅動力陳瀏陽：硅動力長期關注并看好寬禁帶半導體，2019年起與東南大學建立了寬禁帶半導體材料和器件聯(lián)合研發(fā)實驗室，在高頻、高功率密度開關電源控制技術和氮化鎵新型功率器件領域開展技術合作。同時，多款能夠高效驅動GaN的合封產品即將面世。

氮矽科技柯威：目前我司已經在PD行業(yè)廣泛鋪開，更同時推出多款基于平面變壓器的PD產品，并廣受好評。

鎵未來張大江：目前我們已經有7個規(guī)格650V氮化鎵產品實現(xiàn)量產，覆蓋了33W~10kW電源應用場景。另外900V的產品也通過了可靠性認證。目前我們650V35mohm的產品已經在3.6kW電源上批量出貨，月需求在4萬顆以上，這是國內氮化鎵電源批量出貨的最高功率等級。國內其他氮化鎵友商批量出貨基本都是在200W功率等級以內。

PI Doug Bailey：Power Integrations已經開發(fā)出擁有專利的PowiGaN氮化鎵技術，行業(yè)分析機構Yole Developpements在一份報告中將Power Integrations評定為今年最大的氮化鎵器件供應商。目前，我們面向眾多應用銷售基于GaN的IC產品，包括消費類USB充電器和適配器、LED照明、家電、手持電動工具和電動汽車。今年，我們還推出了適合于電動汽車的SiC產品。

我們的理念是銷售IC解決方案，使用戶能夠從GaN或SiC中受益，而無需學習寬禁帶半導體材料的新驅動技術。我們負責處理所有技術問題——在某些情況下，我們的客戶只需將Power Integrations傳統(tǒng)的二氧化硅器件替換為我們其中的一款GaN器件，隨即就能看到在效率和功率方面的改善。

康奈可田啟榮：目前公司在工藝上得到提升，部分產品已經實現(xiàn)量產。

努比亞陳可珠：暫時沒有。因為我們跟英諾賽科是戰(zhàn)略合作，基本上他們也挺支持我們的，比如我們有什么需求，他們會給我們做一些定制。畢竟這個行業(yè)是新興行業(yè)，我們也沒有投入人力去做研發(fā)。

比亞迪雷野：我們只是有一些應用，不算研發(fā)，主要還是用上游供應商產品。

愛仕特晏然：愛仕特成立于2017年，目前經過這幾年的發(fā)展，公司產品無論是從MOS管到模塊，再到整個電子驅動都已經成熟，而且已經大批量出貨。目前跟比亞迪出貨量差不多，一年能達到近億的銷售額。目前工藝技術，我們用的是6寸的碳化硅晶圓，跟國外品牌幾乎保持同步的進度。

3.在同應用場景下，您認為寬禁帶半導體實現(xiàn)彎道超車的關鍵是什么?請簡要說明原因。

努比亞陳可珠：我覺得還是價格問題。雖然散熱的問題沒解決，因為現(xiàn)在氮化鎵基本都用貼片式，如果價格真能打下來，做成插件的，和第二代的封裝一樣。如果國產的廠家布局越來越做越多，應該價格是會下來的。因為消費類的電子行業(yè)，產品基本上還是以性價比為主。

PI Doug Bailey：GaN只是一種比硅更好的開關技術。它可以實現(xiàn)更快的開關速度，且功耗更低。因此效率水平更高，功率密度可以更大。由于這些優(yōu)勢，GaN已經成為許多應用的首選，包括消費電子、工業(yè)控制和照明。我們認為，GaN技術將會更廣泛地運用到各個市場領域。

氮矽科技柯威：氮化鎵的未來一定是需要所有產品共同努力慢慢推進的，但每次打開一個全新市場時，一定也會迎來一次爆發(fā)性的增長。所以它的未來更多在于市場的需求和整體應用器件在穩(wěn)定性上的慢慢提升。

鎵未來張大江：寬禁帶半導體在提高電源效率和功率密度方面具有顯著的優(yōu)勢，但是對于電源工程師來說，大批量使用還是有不少顧慮：一個是驅動的難度，氮化鎵和碳化硅往往會比硅器件驅動線路更復雜，需要器件和IC廠商技術創(chuàng)新以簡化驅動設計;二是對于電源的可靠性還有一些擔憂，事實上還是電路設計的配合問題，需要根據寬禁帶半導體廠商去指導客戶進行電源設計;三是成本，短期內寬禁帶半導體器件成本還是高于硅器件的，當然長期來看，寬禁帶半導體器件成本會低于硅。

寬禁帶半導體器件想要彎道超車，首先器件廠商在應用層面需要給予客戶足夠的指導，讓客戶享受到寬禁帶半導體器件帶來的性能提升，并且避免其電路設計缺陷帶來的可靠性問題;其次隨著全世界碳排放目標的收緊，電源效率會成為一部分行業(yè)的門檻，寬禁帶半導體器件會成為設計的剛需;最后，隨著寬禁帶半導體器件出貨量的提升，規(guī)模化效應開始接近傳統(tǒng)硅器件，整體成本會低于硅器件，實現(xiàn)對硅MOS的替換。

康奈可田啟榮：關鍵就是把頻率做到300k，EMC很好，然后內阻做到20mΩ，完全可以貼在PCB上面，不用加散熱片，一塊PCB就可以搞定，這樣就會很容易超車。

航嘉馳源吳開友：關鍵是要解決外界的大量沖擊和產品的穩(wěn)定性，不能炸機才是最主要的。因為使用電源時，會出現(xiàn)雷擊、高壓電動、電量電壓突然跳閘等情況，沒辦法100%保證是穩(wěn)定的。一旦電源波動比較大，更需要產品的保護能力和抗干擾能力。

比亞迪雷野：還是看市場需求和生產端的困惑。說實話，現(xiàn)在所有的東西都不是瓶頸，就是錢是瓶頸。只有把這些東西做上來，其實有些東西不是不可以用，只是堆砌。碳化硅也沒有先進到哪里去，首先要看權衡和應用場景的問題。

南京綠芯黃斌：一個是功率密度做得更高，一個是體積做得更小。如果這兩個維度都能夠達到，很可能會替代原來的一些材料，但只是針對部分的產品群體，不是所有的。

愛仕特晏然：目前最大的障礙可能是成本。目前其實有很多條路可以走，第一是可以從6寸晶圓上升到8寸晶圓。第二是襯底材料、加工生產線的國產化都可以降低成本。目前到未來的幾年，寬禁帶半導體還沒有像硅基器件那樣得到大規(guī)模的應用，如果實現(xiàn)大規(guī)模應用的普及，總體成本一樣也會降低。

瞻芯電子田俊龍：在相同的電壓等級下，可能往后幾年成本大大降低，寬禁帶半導體材料會實現(xiàn)彎道超車，但就現(xiàn)在的成本，還做不到。

長城科技陳濤：主要還是整體的成本降低，原材料供應等方面都解決了，實現(xiàn)彎道超車肯定趨勢。寬禁帶半導體本身也是屬于領先一代的材料。

4.與上游寬禁帶半導體供應商合作中，有哪些問題對您或貴公司產生了困擾?您有哪些建議?

航嘉馳源吳開友：主要是要解決他們的支撐工藝，比如常見抗浪涌、電源短路問題。怎么去保護才是最重要的，保護完以后，能不能自恢復或者重新再換一個。

康奈可田啟榮：暫時也沒有太大問題。內阻取決于整個產品的發(fā)熱量，還是需要把管子內阻做得更低，希望可以導通。

努比亞陳可珠：前面一開始合作的時候，他們的不良率可能會有點高，現(xiàn)在應該是可以接受了，而且那些莫名其妙的炸機問題現(xiàn)在也沒有了。

比亞迪雷野：互相都有困擾，他們希望我們鎖定用量，但是我們希望他們鎖定產能。定量供應不穩(wěn)定，也會直接影響到我們。這是行業(yè)的問題，只是希望行業(yè)越來越健全，大家把市場做大。

5.下游應用商經常提到，寬禁帶半導體產品工藝欠缺，會出現(xiàn)抗浪涌和穩(wěn)定性不足等情況。您對此有哪些比較好的看法或建議?

瞻芯電子田俊龍：碳化硅的優(yōu)勢很明顯，但是它有它的缺點，比如抗浪涌能力，所以它的驅動比較麻煩。很多電路設計的特征、參數都需要被大量實踐或者受終端市場認可。短期來看，新器件推出，肯定會受到很多的質疑，有一些技術難點也沒有解決，但隨著以后技術的進步以及大規(guī)模普及，這些問題我覺得都是可以解決的。

南京綠芯黃斌：目前氮化鎵內阻已經做得非常小，看要不同的內阻而已。只是氮化鎵抗浪涌能力比較差，還需要寬禁帶半導體材料不斷地升級，跟內阻沒關系的。

愛仕特晏然：其實碳化硅器件在汽車上的使用時間已經有很長一段時間了，比如在特斯拉的model 3已經得到大規(guī)模的應用，說明它的穩(wěn)定性還是非常不錯的。它的使用確實跟硅基器件可能有點不太一樣，只是它是一個新的器件，可能很多人在使用的時候還不是那么有經驗。

但是目前單顆碳化硅器件已經可以做到11mΩ，內阻相當小了。我們公司目前最低的已經做到了15mΩ，并實現(xiàn)量產，12mΩ的器件也正在研發(fā)之中。

6.簡要談談寬禁帶半導體整體的市場空間或發(fā)展趨勢。

硅動力陳瀏陽：GaN目前主要應用在消費類中高功率的適配器和快充領域，它目前最大的挑戰(zhàn)仍然是提高可靠性，解決SOA問題，提高工作耐壓，相信在后續(xù)技術與材料進步的基礎上，可以進入服務器、數據中心、工業(yè)、車規(guī)等等要求高可靠性的領域中，未來想象空間很大。

鎵未來張大江：目前高壓MOS的市場容量約為200億人民幣，市場調研機構Yole預測2026年氮化鎵會成長到70億人民幣左右，占高壓市場的1/3。從歷史上看，超結MOS取代平面MOS也用了15年左右的時間。之后寬禁帶半導體取代硅也會是類似的節(jié)奏。

PI Doug Bailey：GaN和SiC將繼續(xù)共存。這兩種技術和傳統(tǒng)的硅技術都有其用武之地，這就是Power Integrations對技術不抱持傾向性的原因所在：我們只是根據具體的應用選用最合適的技術，而不像其他公司只提供一種解決方案。

航嘉馳源吳開友：寬禁帶半導體的發(fā)展應該是可期待的，未來的市場空間肯定要被寬禁帶半導體替代，但是主要分工業(yè)領域和消費領域。目前來講，100W以下的消費電子類領域，氮化鎵基本上完全可以替代。因為比如受外界的干擾，有大量沖擊的情況下，基本上可以導入，這是沒什么問題的。畢竟氮化鎵小型化以后，整體的制程工藝要求就會變得更簡單。

努比亞陳可珠：我覺得未來應該是會慢慢全面替代平面MOS，這是時間和成本問題。現(xiàn)在有廠家已經在工業(yè)電源、通訊、車規(guī)等可靠性要求很高的大功率領域做一些方案，其他很多廠商也慢慢在觀望。隨著技術成熟和市場驗證，后面的小廠應該很快會跟進。

比亞迪雷野：目前發(fā)展得還好，如果能堅持下去，會做得很好。但是市場也說不清，萬一哪天做得很好，直接把它替代也不一定。現(xiàn)在主要是看各個方向的應用情況，因為一旦大批量使用，成本下去了之后，其他產品推廣也會好一些。

愛仕特晏然：因為碳化硅跟硅基的器件相比，具有工作頻率高、提升效率等優(yōu)勢。隨著國家對能效的要求越來越高以及客戶對性能的追求越來越高的情況下，寬禁帶半導體如果能夠在成本上做出很大的推進，那么目前所有的硅基器件被替代百分之七八十是完全有機會的，所以它的市場空間一定會越來越大。

瞻芯電子田俊龍：我覺得碳化硅更多是跟著新能源汽車走。如果新能源汽車在未來3~5年之內能夠像智能手機替代傳統(tǒng)的功能手機那樣，跟燃油車市場持平，碳化硅未來的市場空間還是蠻大。其他的光伏、充電樁、儲能等領域，其實也會跟著走，只是沒有新能源汽車市場增加這么明顯。現(xiàn)在做碳化硅的公司越來越多，我覺得大家都看好這個市場。但很多其他的創(chuàng)新行業(yè)，不一定會用到寬禁帶半導體，還是以硅或者IGBT為主導。

長城科技陳濤：我個人比較看好寬禁帶半導體在軍用領域和一些特種行業(yè)應用，剛開始肯定會空間更大，后續(xù)民用領域批量使用可能要很長一段時間去驗證，慢慢磨合。

結語

目前，寬禁帶半導體材料的成本還遠高于其他材料，應用領域和使用量占比受到限制。除了快充、新能源汽車等領域得到廣泛應用，其他領域仍然普遍使用傳統(tǒng)材料。倘若寬禁帶半導體成本的價格降低，制程工藝更加穩(wěn)定，同一應用場景下，基本上可以實現(xiàn)彎道超車，真正做到大面積取代。工業(yè)電源、通信建設、數據中心等要求更高性能、高穩(wěn)定性的大功率領域都會得到大規(guī)模使用。

我們相信，伴隨材料技術的不斷升級和行業(yè)廠商的研發(fā)創(chuàng)新，成本會得到明顯下降，未來功率不等的電源行業(yè)里，寬禁帶半導體肯定被更多終端市場所接受，其應用身影將會隨處可見。

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審核編輯 黃昊宇