原创 对话|成本下降对宽禁带半导体应用多重要？

　　【哔哥哔特导读】随着宽禁带半导体材料成本得到明显下降，其应用情况将会发生明显变化。

　　编者按：

　　近年来，以氮化镓和碳化硅两种主要新材料为代表的宽禁带半导体，展示出高频、高压、高温等独特的性能优势，迎来新的发展机遇。目前，从市场领域来看，宽禁带半导体材料已于快充、新能源汽车、光伏、风电、高铁等多领域实现应用。其中，氮化镓主要面向PD电源类居多，而碳化硅主要应用于新能源汽车领域。

　　但从使用情况来看，相比于其他材料，宽禁带半导体材料的市场占有率并没有明显突出。本期《对话》栏目以宽禁带半导体为主题，邀请到行业的资深技术人员参与探讨，分别从成本、研发进展、产品性能等方面进一步剖析宽禁带半导体市场的发展现状和未来趋势。

　　对话问题导览：

　　1.据您了解，相比于其他材料，宽禁带半导体材料目前的成本优势是否明显?替代其他材料的情况如何?

　　2.目前，贵公司在宽禁带半导体的研发进度如何?取得了哪些技术或市场突破?

　　3.在同应用场景下，您认为宽禁带半导体实现弯道超车的关键是什么?请简要说明原因。

　　4.与上游宽禁带半导体供应商合作中，有哪些问题对您或贵公司产生了困扰?您有哪些建议?

　　5.下游应用商经常提到，宽禁带半导体产品工艺欠缺，会出现抗浪涌和稳定性不足等情况。您对此有哪些比较好的看法或建议?

　　6.简要谈谈宽禁带半导体整体的市场空间或发展趋势。

　　对话嘉宾：

　　1.据您了解，相比于其他材料，宽禁带半导体材料目前的成本优势是否明显?替代其他材料的情况如何?

　　PI Doug Bailey：GaN和SiC器件广泛用于大容量市场。例如在消费领域，GaN是大功率、紧凑型充电器的首选，而SiC在电动汽车应用中占据主导地位。经济性讨论将更多地集中在系统成本而不是单个器件价格上。从这个角度看，宽禁带半导体材料可以降低系统成本，因为能够使用更少或额定耐压更低的宽禁带半导体器件替代传统的硅器件。

　　当然，在许多情况下，应用要求的性能只有宽禁带半导体器件才具备，因此成本是次要的，但也是重要的考虑因素。我们认为器件价格不会成为客户尝试宽禁带半导体器件的障碍。

　　氮矽科技柯威：目前业内都比较看好氮化镓在2023年可以达到与之前的硅基器件价格水平，之后甚至可以更有价格优势。相信具有价格优势后的氮化镓替代硅基器件只是时间问题了。

　　硅动力陈浏阳：基于硅衬底的GaN目前成本已经逐步下降，在消费类产品中可以量产代替一些价格比较高的功率器件，比如超结MOS。

　　镓未来张大江：宽禁带半导体材料对于高压器件有优势，比如说650V MOS，采用硅平面工艺，其内阻90%以上都来自于用于承受耐压的外延层，因此需要非常大的晶圆面积来实现低内阻低导通损耗。而采用宽禁带半导体材料，尽管材料成本/制造成本高于硅器件，但是晶圆面积缩小，总体成本能做到与硅器件相当，而开关性能改善数倍。电压越高，宽禁带半导体材料的优势越明显，对于耐压900V以上器件，氮化镓和碳化硅的成本明显低于硅MOS。

　　努比亚陈可珠：氮化镓刚刚兴起的时候可能材料会贵，最早是纳微推出，作为美国厂家，定价非常高，所以很多厂家因此望而却步，那时候相差到七八倍以上。现在价格基本上已经与平面MOS持平，跟英飞凌等厂家比应该还低一点，比国产的平面MOS可能会高一点，就在中间价位。

　　目前只要超过45W以上普通充电器基本上已经在使用氮化镓。现在唯一是，可能由于价格和环境温度，传统的适配器用得不多。因为氮化镓散热方面还是会差一点。

　　康奈可田启荣：宽禁带半导体材料成本上还是高于几倍，整体来说替代率不是特别高，目前还在慢慢推广的过程中。

　　航嘉驰源吴开友：总体成本肯定是会有一定的差异。前期开发投入的费用比较大，但是对于我们来说，从设计单到自有产品的结构还是有优势的。因为模组研发后，在布板时接手了其他的材质，可以继承很多东西。

　　目前市场来讲，大家都在这方面发力。100W以下的小功率电源，采用宽禁带半导体材料会比较多，替换会快一点，因为它的耐抗冲击、稳定的性能更优。从产品的稳定性来讲，大功率电源暂时很少大批量地采用宽禁带半导体材料。

　　比亚迪雷野：不明显，价格相对来说还是比较高。我们目前用的碳化硅比较多，性能上如果有需求要用到氮化镓，我们是会用到的。宽禁带半导体材料目前不存在替代，都是并行的，还是看应用状态，要考虑原则性和成本。行业不健全的话，我们应用端也没法大量的使用。我们去探索也不合适，买个样品都很贵。

　　南京绿芯黄斌：价格大概高百分之二三十。现在宽禁带半导体材料替代其他材料才刚刚开始。

　　爱仕特晏然：前半年是没有优势的，像碳化硅的价格是硅材料的5~10倍。氮化镓相对来说成本会便宜一些，但碳化硅相对硅材料来说是贵了很多。但是从功率器件来讲，一片晶圆切割出来的同样规格的产品比硅的数量要多很多，所以同样规格的情况下，碳化硅器件的价格平均下来可能是硅的3~5倍。

　　目前材料替代主要是针对硅基的元器件，它达不到性能的情况下是可以替代的，但是如果仅仅从价格的角度来讲，是没有这种机会的。

　　瞻芯电子田俊龙：宽禁带半导体材料对整个行业来说还是偏贵。不光是从材料还是器件来说，目前市面上大家都开始在用，只是受限于价格原因，很多领域都还没有大量使用。我估计未来3~5年之内，可能降到IGBT两倍左右的价格。

　　现在碳化硅没有全面替代硅，只是部分在某些型号或某些电压等级下，做了一些计划。目前市场主要还是以硅为主，碳化硅只在汽车电子市场是主要的应用场景，像其他的光伏、新能源、充电桩领域，可能有部分的应用。

　　长城科技陈涛：现在宽禁带半导体材料成本没有优势。因为不同类型的产品对应的应用场景不同，整体来说，应用在我们产品上还是很贵，交期也不好。我们主要是做开关电源，除非是高精尖的产品才会去用新材料，普通的产品用不起，根本就没必要用那么好的材料。

　　2.目前，贵公司在宽禁带半导体的研发进度如何?取得了哪些技术或市场突破?

　　硅动力陈浏阳：硅动力长期关注并看好宽禁带半导体，2019年起与东南大学建立了宽禁带半导体材料和器件联合研发实验室，在高频、高功率密度开关电源控制技术和氮化镓新型功率器件领域开展技术合作。同时，多款能够高效驱动GaN的合封产品即将面世。

　　氮矽科技柯威：目前我司已经在PD行业广泛铺开，更同时推出多款基于平面变压器的PD产品，并广受好评。

　　镓未来张大江：目前我们已经有7个规格650V氮化镓产品实现量产，覆盖了33W~10kW电源应用场景。另外900V的产品也通过了可靠性认证。目前我们650V35mohm的产品已经在3.6kW电源上批量出货，月需求在4万颗以上，这是国内氮化镓电源批量出货的最高功率等级。国内其他氮化镓友商批量出货基本都是在200W功率等级以内。

　　PI Doug Bailey：Power Integrations已经开发出拥有专利的PowiGaN氮化镓技术，行业分析机构Yole Developpements在一份报告中将Power Integrations评定为今年最大的氮化镓器件供应商。目前，我们面向众多应用销售基于GaN的IC产品，包括消费类USB充电器和适配器、LED照明、家电、手持电动工具和电动汽车。今年，我们还推出了适合于电动汽车的SiC产品。

　　我们的理念是销售IC解决方案，使用户能够从GaN或SiC中受益，而无需学习宽禁带半导体材料的新驱动技术。我们负责处理所有技术问题——在某些情况下，我们的客户只需将Power Integrations传统的二氧化硅器件替换为我们其中的一款GaN器件，随即就能看到在效率和功率方面的改善。

　　康奈可田启荣：目前公司在工艺上得到提升，部分产品已经实现量产。

　　努比亚陈可珠：暂时没有。因为我们跟英诺赛科是战略合作，基本上他们也挺支持我们的，比如我们有什么需求，他们会给我们做一些定制。毕竟这个行业是新兴行业，我们也没有投入人力去做研发。

　　比亚迪雷野：我们只是有一些应用，不算研发，主要还是用上游供应商产品。

　　爱仕特晏然：爱仕特成立于2017年，目前经过这几年的发展，公司产品无论是从MOS管到模块，再到整个电子驱动都已经成熟，而且已经大批量出货。目前跟比亚迪出货量差不多，一年能达到近亿的销售额。目前工艺技术，我们用的是6寸的碳化硅晶圆，跟国外品牌几乎保持同步的进度。

　　3.在同应用场景下，您认为宽禁带半导体实现弯道超车的关键是什么?请简要说明原因。

　　努比亚陈可珠：我觉得还是价格问题。虽然散热的问题没解决，因为现在氮化镓基本都用贴片式，如果价格真能打下来，做成插件的，和第二代的封装一样。如果国产的厂家布局越来越做越多，应该价格是会下来的。因为消费类的电子行业，产品基本上还是以性价比为主。

　　PI Doug Bailey：GaN只是一种比硅更好的开关技术。它可以实现更快的开关速度，且功耗更低。因此效率水平更高，功率密度可以更大。由于这些优势，GaN已经成为许多应用的首选，包括消费电子、工业控制和照明。我们认为，GaN技术将会更广泛地运用到各个市场领域。

　　氮矽科技柯威：氮化镓的未来一定是需要所有产品共同努力慢慢推进的，但每次打开一个全新市场时，一定也会迎来一次爆发性的增长。所以它的未来更多在于市场的需求和整体应用器件在稳定性上的慢慢提升。

　　镓未来张大江：宽禁带半导体在提高电源效率和功率密度方面具有显著的优势，但是对于电源工程师来说，大批量使用还是有不少顾虑：一个是驱动的难度，氮化镓和碳化硅往往会比硅器件驱动线路更复杂，需要器件和IC厂商技术创新以简化驱动设计;二是对于电源的可靠性还有一些担忧，事实上还是电路设计的配合问题，需要根据宽禁带半导体厂商去指导客户进行电源设计;三是成本，短期内宽禁带半导体器件成本还是高于硅器件的，当然长期来看，宽禁带半导体器件成本会低于硅。

　　宽禁带半导体器件想要弯道超车，首先器件厂商在应用层面需要给予客户足够的指导，让客户享受到宽禁带半导体器件带来的性能提升，并且避免其电路设计缺陷带来的可靠性问题;其次随着全世界碳排放目标的收紧，电源效率会成为一部分行业的门槛，宽禁带半导体器件会成为设计的刚需;最后，随着宽禁带半导体器件出货量的提升，规模化效应开始接近传统硅器件，整体成本会低于硅器件，实现对硅MOS的替换。

　　康奈可田启荣：关键就是把频率做到300k，EMC很好，然后内阻做到20mΩ，完全可以贴在PCB上面，不用加散热片，一块PCB就可以搞定，这样就会很容易超车。

　　航嘉驰源吴开友：关键是要解决外界的大量冲击和产品的稳定性，不能炸机才是最主要的。因为使用电源时，会出现雷击、高压电动、电量电压突然跳闸等情况，没办法100%保证是稳定的。一旦电源波动比较大，更需要产品的保护能力和抗干扰能力。

　　比亚迪雷野：还是看市场需求和生产端的困惑。说实话，现在所有的东西都不是瓶颈，就是钱是瓶颈。只有把这些东西做上来，其实有些东西不是不可以用，只是堆砌。碳化硅也没有先进到哪里去，首先要看权衡和应用场景的问题。

　　南京绿芯黄斌：一个是功率密度做得更高，一个是体积做得更小。如果这两个维度都能够达到，很可能会替代原来的一些材料，但只是针对部分的产品群体，不是所有的。

　　爱仕特晏然：目前最大的障碍可能是成本。目前其实有很多条路可以走，第一是可以从6寸晶圆上升到8寸晶圆。第二是衬底材料、加工生产线的国产化都可以降低成本。目前到未来的几年，宽禁带半导体还没有像硅基器件那样得到大规模的应用，如果实现大规模应用的普及，总体成本一样也会降低。

　　瞻芯电子田俊龙：在相同的电压等级下，可能往后几年成本大大降低，宽禁带半导体材料会实现弯道超车，但就现在的成本，还做不到。

　　长城科技陈涛：主要还是整体的成本降低，原材料供应等方面都解决了，实现弯道超车肯定趋势。宽禁带半导体本身也是属于领先一代的材料。

　　4.与上游宽禁带半导体供应商合作中，有哪些问题对您或贵公司产生了困扰?您有哪些建议?

　　航嘉驰源吴开友：主要是要解决他们的支撑工艺，比如常见抗浪涌、电源短路问题。怎么去保护才是最重要的，保护完以后，能不能自恢复或者重新再换一个。

　　康奈可田启荣：暂时也没有太大问题。内阻取决于整个产品的发热量，还是需要把管子内阻做得更低，希望可以导通。

　　努比亚陈可珠：前面一开始合作的时候，他们的不良率可能会有点高，现在应该是可以接受了，而且那些莫名其妙的炸机问题现在也没有了。

　　比亚迪雷野：互相都有困扰，他们希望我们锁定用量，但是我们希望他们锁定产能。定量供应不稳定，也会直接影响到我们。这是行业的问题，只是希望行业越来越健全，大家把市场做大。

　　5.下游应用商经常提到，宽禁带半导体产品工艺欠缺，会出现抗浪涌和稳定性不足等情况。您对此有哪些比较好的看法或建议?

　　瞻芯电子田俊龙：碳化硅的优势很明显，但是它有它的缺点，比如抗浪涌能力，所以它的驱动比较麻烦。很多电路设计的特征、参数都需要被大量实践或者受终端市场认可。短期来看，新器件推出，肯定会受到很多的质疑，有一些技术难点也没有解决，但随着以后技术的进步以及大规模普及，这些问题我觉得都是可以解决的。

　　南京绿芯黄斌：目前氮化镓内阻已经做得非常小，看要不同的内阻而已。只是氮化镓抗浪涌能力比较差，还需要宽禁带半导体材料不断地升级，跟内阻没关系的。

　　爱仕特晏然：其实碳化硅器件在汽车上的使用时间已经有很长一段时间了，比如在特斯拉的model 3已经得到大规模的应用，说明它的稳定性还是非常不错的。它的使用确实跟硅基器件可能有点不太一样，只是它是一个新的器件，可能很多人在使用的时候还不是那么有经验。

　　但是目前单颗碳化硅器件已经可以做到11mΩ，内阻相当小了。我们公司目前最低的已经做到了15mΩ，并实现量产，12mΩ的器件也正在研发之中。

　　6.简要谈谈宽禁带半导体整体的市场空间或发展趋势。

　　硅动力陈浏阳：GaN目前主要应用在消费类中高功率的适配器和快充领域，它目前最大的挑战仍然是提高可靠性，解决SOA问题，提高工作耐压，相信在后续技术与材料进步的基础上，可以进入服务器、数据中心、工业、车规等等要求高可靠性的领域中，未来想象空间很大。

　　镓未来张大江：目前高压MOS的市场容量约为200亿人民币，市场调研机构Yole预测2026年氮化镓会成长到70亿人民币左右，占高压市场的1/3。从历史上看，超结MOS取代平面MOS也用了15年左右的时间。之后宽禁带半导体取代硅也会是类似的节奏。

　　PI Doug Bailey：GaN和SiC将继续共存。这两种技术和传统的硅技术都有其用武之地，这就是Power Integrations对技术不抱持倾向性的原因所在：我们只是根据具体的应用选用最合适的技术，而不像其他公司只提供一种解决方案。

　　航嘉驰源吴开友：宽禁带半导体的发展应该是可期待的，未来的市场空间肯定要被宽禁带半导体替代，但是主要分工业领域和消费领域。目前来讲，100W以下的消费电子类领域，氮化镓基本上完全可以替代。因为比如受外界的干扰，有大量冲击的情况下，基本上可以导入，这是没什么问题的。毕竟氮化镓小型化以后，整体的制程工艺要求就会变得更简单。

　　努比亚陈可珠：我觉得未来应该是会慢慢全面替代平面MOS，这是时间和成本问题。现在有厂家已经在工业电源、通讯、车规等可靠性要求很高的大功率领域做一些方案，其他很多厂商也慢慢在观望。随着技术成熟和市场验证，后面的小厂应该很快会跟进。

　　比亚迪雷野：目前发展得还好，如果能坚持下去，会做得很好。但是市场也说不清，万一哪天做得很好，直接把它替代也不一定。现在主要是看各个方向的应用情况，因为一旦大批量使用，成本下去了之后，其他产品推广也会好一些。

　　爱仕特晏然：因为碳化硅跟硅基的器件相比，具有工作频率高、提升效率等优势。随着国家对能效的要求越来越高以及客户对性能的追求越来越高的情况下，宽禁带半导体如果能够在成本上做出很大的推进，那么目前所有的硅基器件被替代百分之七八十是完全有机会的，所以它的市场空间一定会越来越大。

　　瞻芯电子田俊龙：我觉得碳化硅更多是跟着新能源汽车走。如果新能源汽车在未来3~5年之内能够像智能手机替代传统的功能手机那样，跟燃油车市场持平，碳化硅未来的市场空间还是蛮大。其他的光伏、充电桩、储能等领域，其实也会跟着走，只是没有新能源汽车市场增加这么明显。现在做碳化硅的公司越来越多，我觉得大家都看好这个市场。但很多其他的创新行业，不一定会用到宽禁带半导体，还是以硅或者IGBT为主导。

　　长城科技陈涛：我个人比较看好宽禁带半导体在军用领域和一些特种行业应用，刚开始肯定会空间更大，后续民用领域批量使用可能要很长一段时间去验证，慢慢磨合。

　　结语

　　目前，宽禁带半导体材料的成本还远高于其他材料，应用领域和使用量占比受到限制。除了快充、新能源汽车等领域得到广泛应用，其他领域仍然普遍使用传统材料。倘若宽禁带半导体成本的价格降低，制程工艺更加稳定，同一应用场景下，基本上可以实现弯道超车，真正做到大面积取代。工业电源、通信建设、数据中心等要求更高性能、高稳定性的大功率领域都会得到大规模使用。

　　我们相信，伴随材料技术的不断升级和行业厂商的研发创新，成本会得到明显下降，未来功率不等的电源行业里，宽禁带半导体肯定被更多终端市场所接受，其应用身影将会随处可见。

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