效率是所有工業部門的驅動力，包括消費部門。在電子系統中，效率會導致性能限制以及使用壽命縮短。然而，更高的效率推動行業朝著更高的功率密度發展，并有可能擁有更小、更輕、更可靠的產品，同時消除性能限制并在數據中心和汽車系統中提供更高的功率水平。

隨著連接設備的數量每天都在增加，更高效的電源轉換可以在一定程度上降低為這些數十億設備供電的總體財務成本。由于涉及的數量龐大，最近提高整體效率以降低環境成本變得同樣重要。

必須限制損耗，這反過來又會限制系統的效率，通常會導致強烈的散熱。這種損耗在功率轉換中很普遍，而熱量是半導體器件的一個特殊敵人。從電子設備中去除不需要的熱量的成本是不受歡迎的，而且對環境有害。這推動了更高效半導體器件的研發，以提高功率轉換效率、提高功率密度并減少能源管理對整體財務和環境的影響。

寬帶隙 (WBG) 半導體

功率半導體歷來基于硅襯底，而硅是一種出色的通用半導體，在處理高電壓時具有充分證明的局限性。市場正在繼續尋求更多功率的競賽，并且該行業總體上正在遠離硅，轉而支持更適合功率的半導體材料。這些材料被歸類為寬帶隙材料，指的是它們在物理上與晶體材料（如硅）不同。這些差異代表了幾個基本特征，其中之一是它們能夠在更高的開關頻率下運行，同時將損耗保持在淺且可管理的水平。

晶體管是微電子行業的基石。底物決定了它們的行為，因此定義了特性和功能。三極管本質上是一個壓控開關，需要的功率越大，尺寸越大。這可以通過使用 WBG 材料來補償。WBG 晶圓的供應鏈仍在優化中，并不像已經存在的硅晶圓龐大的基礎設施和供應鏈那樣成熟。為了克服提高效率的障礙/障礙，該行業正在大力開發新基板，同時繼續利用硅帶來的規模經濟。

由碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等創新半導體制成的新型晶體管目前非常需要用于為汽車行業和替代能源構建電力系統。

GaN 技術的兩種變體是硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 和碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC)。GaN-on-SiC 為太空和軍事雷達應用做出了巨大貢獻。今天，RF 工程師正在尋找新的應用和解決方案來利用 GaN-on-SiC。?

GaN-on-silicon 支持低成本、大直徑襯底的生長，并且更容易使用大批量 Si 晶圓廠進行器件生產。

氮化鎵以 HEMT（高電子遷移率晶體管）外延晶體管的形式存在于各種襯底材料上，是用于射頻、微波和毫米波領域高性能器件的最新和最有前途的半導體技術。這對于基于 GaN-on-Silicon 和基于 GaN-on-SiC 的器件尤其如此，它們既具有尖端的高頻功能，又能夠在大晶圓直徑 CMOS 代工廠中進行規?；a。

GaN-on-Si 功率晶體管比傳統的硅功率晶體管更能提供高效率，部分原因是轉換器拓撲和技術需求。具有零反向恢復電荷的 GaN 使其可用于以前未考慮用于電源的拓撲。正是這種最近啟用的拓撲與新的 GaN 技術相結合，有助于實現新的功率性能水平。峰值電流與反向恢復電荷有關，它在硅功率晶體管中可能非常大，以至于它不能用于具有重復反向恢復的轉換拓撲，包括半橋拓撲。

基板的優勢允許通過提供良好的集成來降低成本?？梢栽趩蝹€基板上集成 LNA（低噪聲放大器）、開關、PA（功率放大器）；GaN-on-Si 確實引起了很大的興趣。集成固然有其優勢，但首先需要的是需要應用的大功率、高連接性的終端連接。在這些情況下，GaN-on-SiC 證明了其有效性（圖 1）。

圖 1：GaN 市場演變 [來源：Yolè Developpment]

參數

雖然硅半導體多年來仍將是主流解決方案，但在某些應用中客戶可以利用 WBG 半導體的特性，包括改進的帶隙 (eV)、擊穿場 (MV/cm)、熱導率 (W / cm-K)、電子遷移率 (cm2 / Vs) 和電子漂移速度。在不涉及半導體物理細節的情況下，可以說這些改進的參數使 WBG 半導體適用于高電壓、高開關頻率應用，同時提高了功率密度和散熱。

WBG 半導體功率開關的主要優點包括高電流密度、更快的開關和更低的漏源導通電阻 (R DS (on))。從最終客戶的角度來看，這些設備性能改進帶來了顯著的系統級優勢。在實際應用中，客戶可以實現高溫運行，同時降低整體系統尺寸和重量。

消費市場趨勢

至于GaN在現實應用中的擴展，無線充電是最熱門的領域之一。隨著無線充電成為手機越來越普遍的趨勢，GaN 也使工業客戶能夠利用該技術的優勢。在高頻下，GaN 比硅表現出最明顯的優勢。硅用于低功率應用，但隨著應用要求擴展到幾十瓦甚至千瓦，效率變得更加重要。更高的開關頻率不僅可以提高效率，還可以為客戶提供更多優勢。

我們目前在消費市場看到的一個趨勢是對移動電話的新功能和性能的強烈需求。高速數據傳輸、更大質量的屏幕、人臉感應功能以及下一個 5G 將很快需要新的電源管理解決方案。所有這些功能都需要更高性能或更大的電池。更大的電池意味著更長的充電時間。除了確定便攜式設備的正確尺寸外，市場上還出現了新的充電解決方案，以便它們可以快速為手機充電。

當前的電池單元至少需要兩個小時才能充滿電。降低這個時間的需求導致了新的電源解決方案進入市場，從最初的 15 瓦到那些功率更大達到 100 瓦的解決方案。

與其他硅解決方案相比，氮化鎵是一種通過提供更小尺寸的器件來提供更高效率的材料。與其他解決方案相比，它使我們能夠獲得更高的功率，因此可以在更短的時間內為設備充電。

“去年在 2019 年，”Yole Développement (Yole) 技術與市場分析師 Ezgi Dogmus 說，“OPPO 是中國 OEM 在其快速充電器中使用氮化鎵器件的第一個例子。從那一刻起，我們在這個市場上看到了越來越多的吸引力?！?/p>

” 小米是中國有影響力的OEM，最近推出了基于GaN的快速充電器。對于主要的原始設備制造商，三星已經在其附件快速充電器中加入了 GaN 設備，據我們所知，它很快就會集成到其內置充電器中。也有一些關于在蘋果和華為的下一代快速充電器中采用 GaN 的傳言，但我們認為我們將能夠在接下來的幾個季度隨著官方公告有更清晰的想法，但我們可以說鎵的吸引力非常大氮化物，”Ezgi Dogmus 說。

硅仍然非?；钴S，尤其是在 30 W 以下。技術正朝著氮化鎵發展。在 30 到 100 W 之間的領域，我們仍然有硅解決方案，但氮化鎵非常有競爭力，提供高效率和快速充電時間。它能夠支持良好的熱管理和良好的設計。“原始設備制造商還想要一個小巧、快速的充電器。他們不希望手機帶有大充電器，因為這不利于設備的美觀。使用氮化鎵，他們可以做到這一點，但使用硅，問題在于它可能非常大，”Ezgi Dogmus 說。

許多中國公司也在充電器中使用氮化鎵?？焖俪潆娛且粋€真正的趨勢，大型 OEM 將采用它，而 GaN 成本將繼續下降。Yole 估計三星和蘋果的采用率也很高。三星已經通過電源集成擁有其 45 W 氮化鎵充電器。GAN 肯定會進入智能手機市場，該市場比任何其他消費市場都大得多，因此，當價格下降時，它將對其采用有很大幫助。

“據我們所知，Power Integrations 是 GAN 制造商之一。Power Integrations 已公開宣布他們將為三星即將推出的充電器提供 IC 解決方案”，Ezgi Dogmus 說。

圖 2：GaN 快速充電趨勢 [來源：Yolè Developpment]

“所有原始設備制造商都在尋求這些 GaN 產品的市場接受度和進一步降低成本。在此背景下，2020 年和 2021 年將是 GaN 基功率器件的關鍵年份?！卑Ｆ澕ざ喔衲匪拐f。

圖 3：2018-2024 年由大功率快速充電應用驅動的功率 GaN 器件市場 [來源：Yolè Developpment]

集成是最小化延遲和消除寄生電感的關鍵，這些寄生電感限制了 Si 和早期分立 GaN 電路的開關速度。憑借低至 5 ns 的傳播延遲和高達 200 V / ns 的穩健 dV / dt，傳統的 65-100 kHz 轉換器設計可以加速至 MHz 甚至更高。這些集成電路在 MHz 量級的頻率上擴展了傳統拓撲（例如反激式、半橋式、諧振式等）的功能，從而允許革命性項目的商業引入（圖 2-5）。

圖 4：功率與頻率 [來源：Yolè Developpment]

汽車

最有趣和增長最快的應用之一是電動汽車 (EV) 車外充電，其中包括快速充電器和充電站市場。碳化硅確實可以為該應用增加價值。

圖 5：功率 GaN 市場 [來源：Yolè Developpment]

碳化硅和氮化鎵最賺錢的兩個應用是電動汽車和混合動力汽車（EV 和 HEV）。它們在更高的電壓和溫度下運行，更堅固耐用，使用壽命更長，并且比傳統半導體器件的開關速度快得多。碳化硅正被用于多種應用，尤其是電動汽車，以應對開發高效和大功率設備時面臨的能源和成本挑戰。

碳化硅在特斯拉逆變器中具有強大的吸引力，因此也適用于電動汽車中的所有高壓解決方案。在這個市場上，我們可以看到碳化硅和氮化鎵在車載充電器應用中的競爭，說哪個最好是不公平的，因為選擇取決于 OEM 在成本和性能方面采用的策略。

“幾乎所有原始設備制造商都在關注碳化硅和氮化鎵；沒有人真正排除任何一種。這是一個成本問題，也是一個資格問題，所以也許可以說碳化硅更先進一些，因為它已經獲得了汽車行業的資格，并且已經開始用于汽車領域的主逆變器和車載充電器應用。特斯拉和比亞迪等原始設備制造商的幾種車型。”Ezgi Dogmus 說。

GaN 也符合汽車行業的要求，EPC 或 Transform 等公司已經擁有適用于汽車行業、低壓和高壓 EV-HEV 應用的合格產品。Nexperia 等其他公司正在通過新的解決方案投資市場。?

“我認為在未來一年我們會看到越來越多的氮化鎵合格，它可以在成本和性能方面與碳化硅競爭，”Ezgi Dogmus 說。

最大的挑戰是由于較高的制造工藝成本和缺乏批量生產而廣泛采用 SiC/GaN 器件。大規模生產帶來了挑戰，需要穩健且深思熟慮的制造工藝。這包括晶圓測試，這需要測試在更高電流和電壓范圍內工作的較小設備。+

審核編輯 黃昊宇