氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体目前正在大规模生产，并迅速获得市场份额，但正在迅速多样化。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体现在正在大规模生产，并迅速获得市场份额。根据市场研究公司Yole的数据，到2027年底，GaN和SiC器件将占据功率半导体市场的30%，取代硅MOSFET和IGBT。这是一个巨大的斜坡，它要求更清楚地了解这些宽带隙（WBG）兄弟在基础设计技术、制造实践和目标应用方面的立场。


Navitas Semiconductor公司营销副总裁斯蒂芬·奥利弗（Stephen Oliver）承认，如今，主要是SiC，其生产量已经领先GaN十年甚至更长。“这意味着电力设计工程师更熟悉它，”他说。“此外，它更多的是一个组件，这意味着您可以用一个替换另一个。”


奥利弗补充道，大多数SiC器件都采用三引脚封装，这使得它们非常适合高功率、高电压应用。因此，它们被广泛应用于风力涡轮机、太阳能逆变器、铁路机车、卡车和公共汽车。另一方面，对于GaN半导体，他认为650-V和700-V器件可以满足从20瓦手机充电器到20千瓦电源应用的任何需求。“除此之外，SiC是正确的选择。”


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图1：基于GaN的Dell Alienware 240-W充电器的尺寸与旧的90-W充电器几乎相同，在同一体积中的功率增加了2.7倍。资料来源：GaN系统




SiC和GaN的最佳选择

GaN系统首席执行官吉姆·威瑟姆（Jim Witham）还将SiC和GaN世界分别归类为高功率、高电压和中功率、中压应用。“GaN半导体通常跨越50 V至900 V，而SiC器件适用于1000 V以上的应用。”他还指出，硅仍然是低功耗、低电压应用的可行选择，适用于40 V至50 V以下的电源设计。


在解释每种半导体技术符合要求的领域时，威瑟姆表示，就功率水平而言，硅适用于20W及以下的应用，GaN适用于20W-100kW，SiC适用于100kW-300kW及以上的应用。“硅、GaN和SiC各有优势，但在边缘也存在一些冲突。”


他还认为SiC在为汽车尤其是电动汽车（EV）牵引逆变器以及高能电网、风能和太阳能提供服务方面非常突出。他补充道，对于GaN晶体管，手机和笔记本电脑的移动充电器已经出现，而数据中心的电源还处于中游。对于未来，Witham预计GaN半导体将在汽车领域如车载充电器（OBC）和电动汽车DC-DC转换器等领域蓬勃发展。


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图2：基于氮化镓的DC-DC转换器在电动汽车和混合动力汽车中越来越流行，以将高压电池组与低压辅助电路连接起来。来源：GaN系统


在拉斯维加斯的CES 2023上，GaN系统展示了一台7.2千瓦的OBC内的GaN，该OBC来自为沃尔玛和美国陆军提供车辆的电动汽车公司Canoo。总部位于加拿大渥太华的GaN半导体解决方案供应商还展示了Vitesco的基于GaN的DC-DC转换器，该转换器在800-V电池总线架构中运行。它获取电池电压，并将其更改为适用于挡风玻璃雨刷器和门锁等低压辅助电路的适当电压。



制造业的对比

当涉及到晶片堆积时，我们看到SiC方面有很多活动。以Wolfspeed为例，该公司正在纽约州马西市斥资近100亿美元建造其新的200毫米SiC晶圆厂。奥利弗说，这样的SiC玩家想要控制自己的命运。他说：“如果追溯到四年前，当时的Cree公司Wolfspeed是唯一一家生产SiC晶片的公司，仅晶片就要3000美元。”。“今天，我们估计有八家合格的SiC晶片供应商，价格已降至1000美元左右。”


奥利弗预计，再过四年，价格可能会达到400美元。“因此，SiC晶片将成为一种商品，一旦成为商品，制造业将不再是一种优势，”他补充道。“换言之，供应流程的纵向整合将不是优势，优势将在于芯片的设计。”


另一方面，虽然GaN是一种先进的材料，但可以使用GaN半导体的旧工艺，奥利弗指出。“所以，当硅设计人员在谈论12纳米和更小的制造节点时，我们正在使用500纳米的GaN器件处理设备。”对于GaN半导体，纳维塔斯使用台积电的第2号晶圆厂，这是他们仍在运行的最古老的晶圆厂。奥利弗说：“它使用的设备在财务上完全记下来了，但仍然提供了非常高的质量和良好的容量。”。


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图3：GaN制造可以改造旧的晶圆厂，因此GaN供应商不需要花费数十亿美元建造新的晶圆厂。资料来源：纳维半导体


他补充道：“氮化镓的好处是，你不需要花费数十亿美元建造新的晶圆厂，也可以改造旧的晶圆厂。”。“我们估计，美国有40家旧晶圆厂在生产旧硅，可以改装成GaN或SiC半导体。”因此，GaN和SiC制造业都有大量产能。


威瑟姆关于氮化镓制造的观点与奥利弗的立场产生了共鸣。威瑟姆表示，虽然晶片容量对SiC器件来说可能是个问题，但对GaN半导体来说这不是个问题，因为增加容量需要几百万美元。他说：“如果你去中国、台湾和韩国，你会看到拥有数百万美元机器的工厂制造GaN器件。”。“使用这些小型货车大小的机器，我们只需要几百万美元就可以增加容量，尽管人们通常不会谈论它。”



GaN与SiC的竞争

2022年夏天，纳维教育收购了SiC开发商GenSic，这笔交易背后有一个有趣的理由。根据奥利弗的说法，GaN器件的市场价值130亿美元，但最高的40亿至50亿美元是有争议的。“有时是GaN，有时是SiC，所以如果我们也有SiC，这将使市场扩大到220亿美元，”他说。“在这个价值220亿美元的市场上，我们不介意客户选择哪一个。”


奥利弗补充道，事实上，当GenSic被收购时，纳维教育的汽车设计工程师非常高兴。“现在他们不必将GaN设计推得太远。”


GaN和SiC都是新技术，它们在应用和设计创新方面正在迅速多样化。正如Witham所言，GaN和SiC器件的特定市场正在形成，这些WBG技术之间存在一些市场重叠。


>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电子数据网络.